超滤(UF)
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Ultrafiltration membranes
30
三、超滤膜的制备
欲制备性能优良的UF膜，一是选择合适的膜材料； 二是选择合适的制膜工艺和最佳的工艺参数。
有机高聚物UF膜——大多为非对称膜，应用最广 的是相转化法。 无机UF膜——结构分三层，即分离层、中间层和 载体层。整个膜的孔径分布是由载体层到顶层 （分离层）逐渐减小，形成不对称分布。制法有 固体粒子烧结法、溶胶~凝胶法等。
实验室UF的操作模式
Laboratory ultrafiltration test systems(1)
Ultrafiltration membranes
28
Filtrate
Laboratory ultrafiltration test systems(2)
Ultrafiltration membranes
29
二. 超滤膜材料
日前商品化的UF膜都是采用聚合物材料由相转化法制备的， 常用材料包括： ——聚砜(PSF)/聚醚砜/(PES)磺化聚砜/聚砜酰胺(PSA) ——聚偏二氟乙烯（PVDF） ——聚丙烯腈（PAN） 有 ——纤维素（CA，CTA及再生纤维素） 机 ——聚酰亚胺(PI)/芳香聚酰胺(PA) 膜 ——聚脂肪酰胺 ——聚醚醚酮（PEEK） ——复合UF膜 无机膜 ——陶瓷膜（氧化铝、氧化锆） [其皮层通过溶胶~凝胶法制备]
Ultrafiltration membranes
3
Milestones in the development of ultrafiltration
Ultrafiltration membranes
4
2. UF的特点
① 属于压力驱动器型膜过程； ② 分离范围为相对分子质量1000~105的大分子物质 和胶体物质，相应粒子直径5nm~ 0.1μm； ③ 分离机理一般认为是机械筛分原理； ④ UF膜的形态为不对称结构； ⑤ 膜组件有形式有板式、卷式、管式、毛细管式 及中空纤维式； ⑥ 过滤的方式一般为错流过滤； ⑦ 膜皮层厚度小于1μm，操作压力低，可不考虑渗 透压的影响； ⑧ 易于工业化，应用范围广。
相对分子质量 Ultrafiltration membranes
26
影响截留相对分子质量及截留率的因素
主要因素有： ——溶质分子的形状和大小
——膜材质与膜的形态结构
——其他溶质
——操作参数（如跨膜压差、错流速度、料液浓
度、温度、膜的预处理）等。
Ultrafiltration membranes
27
6
UF膜结构及截留方式
结 构 特 征 ： 一 般 为 非 对 称 膜 ， 由 一 层 极 薄 的 （ 0.1~1μm ）具有一定孔径的表皮层和一层较厚的 （125μm左右）具有海绵状或指状结构的多孔层组 成，前者起分离作用，后者起支撑作用。 UF过程中溶质的截留包括：在膜表面上的机械截 留（筛分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面 及膜孔内的吸附等三种方式。
5. 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。
概括地说，就是分离效果降低，截留率改变， 通量下降。
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16
浓差极化的影响
渗透汽化
k——传质系数； J——膜通量
Ultrafiltration membranes
17
（3）. 减少浓差极化的方法
由浓差极化形成原理可知，减小浓差极化边界层 厚度，提高溶质传质系数，均可减少浓差极化， 提高膜的透液速度。方法如下： ① 选择合适的膜组件结构；
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33
原水 格栅/预滤
原水 格栅/预滤 （混凝） 深度净化 Ⅰ
UF的应用
（混凝）
MF/UF
MF/UF
NF 深度净化 （a） 出水 出水 （b） Ⅱ
日本“新MAC21”项目中典型膜过滤系统流程
Ultrafiltration membranes
34
UF的应用
Ultrafiltration membranes
20
Ultrafiltration membranes
21
渗透压模型
UF的溶质是高分子，在低浓度时其渗透压与操作压 力相比可忽略不计；随着溶液浓度升高，渗透压呈 指数关系急剧上升，此时必须考虑渗透压的影响。
极限通量——用纯水测定透过膜的通量时，其值与 操作压力成比例增加，但高分子溶液进行UF时，透 过膜的通量与压力不成比例，在达到一定值后，就 不随压力变化了，此时膜的透过通量即为极化通量。
渗透速率约为20~1000 L/m2· ；后者的渗透速率约为1~100 h
L/m2· h（依料液的性质而变）。当UF的通量低于1 L/m2· h时 没有实际应用的价值。
膜的截留性能
用截留相对分子质量（MWCO）来表征UF
膜 的 分 离 特 性 。 MWCO 一 般 指 膜 对 某 标 准 物 截 留 率 为 90%~95%时所对应的相对分子质量为该膜的截留相对分子质 量。目前各厂家尚无统一的测试方法和标准物质。
些装臵的安全运行，而且也提高了产品水的质量。UF
Ultrafiltration membranes
2
对象：UF主要从液相物质中分离大分子物质（蛋
白质、核酸聚合物、淀粉、天然胶、酶等）、胶
体分散液（粘土、颜料、矿物料、乳液粒子、微
生物）以及乳液（润滑脂、洗涤剂、油水乳液）。
采用先与合适的大分子结合的方法也可以从水溶 液中分离金属离子、可溶性溶质和高分子物质， 以达到净化、浓缩的目的。
B. 作为RO装置的前处理设备
如①海水淡化过程中，
一些细菌和藻类物质，利用常规的预处理技术很难完全
除去，它会在管道及膜面迅速繁衍生长，容易堵塞水路 和污染RO膜，如在RO之前使用UF处理其进水，可使
海水的FI值(污染指数)达到0~1，而且细菌及海藻等几乎
全 部 除 去 。 ② 高 纯 水 制 备 中 ， UF 透 过 水 完 全 可 作 RO/ED/离交等水处理系统的进水，这样不但保护了这
13
浓差极化引起的稳态条件下的浓度分布
14
Ultrafiltration membranes
在稳定状态下，被脱除（截留）组分浓度分 布和易渗透组分的浓度分布情况。
（a）截留组分的浓度分布 （salt in desalination of water by reverse osmosis)
（b）易渗透组分的浓度分布 （water in dehydration of ethanol by pervaporation)
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5
第二节 超滤的基本理论
UF的基本原理
在一定的压力作用下，含有大、小分子溶质的溶 液流过UF膜表面时，溶剂和小分子物质（无机盐等） 透过膜，作为透过液被收集起来，而大分子溶质 （如有机胶体）则被膜截留而作为浓缩液被回收。
Ultrafiltration membranes
② 加入紊流器；
③ 料液横切流向设计； ④ 料液脉冲流动；
⑤ 螺旋流；
⑥ 提高流速；
⑦ 适当提高进料液温度以降低粘度，增大传质系数。
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增加湍流，减小边界层厚度以减小浓差极化
膜浓缩加大，浓差极化加大
膜通量加大，浓差极化加大
溶质扩散系数增大，浓差极化减少
当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质现膜面流 动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达 到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度 区，这一区域称为浓差极化边界层，这一现象称 为浓差极化。
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10
通量随时间变化趋势
压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图
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19
湍 流 强 化 器
Flow dynamics around the spacer netting often used to promote turbulence in a membrane module and reduce concentration polarization
Ultrafiltration membranes
7
UF和MF的功能有所不同，MF多数是除 杂，产物是过滤液；而UF着重是分离， 产物既可以是渗透液，也可以是截留液或 二者兼而有之。
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8
二、UF的基本传质理论
浓差极化
传质系数
速率方程
微孔模型
渗透压模型
凝胶极化模型
Ultrafiltration membranes
9
（1）. 浓差极化概述
在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透 过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面或 临近膜界面区域浓度越来越高。
在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压ห้องสมุดไป่ตู้加，从 而导致溶剂通量下降。
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15
（2）. 浓差极化的危害
1. 使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减 小传质驱动力； 2. 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面 形成沉或凝胶层，增加透过阻力； 3. 膜表面沉积层或凝胶层的形成会改变膜的分离特性； 4. 当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对膜发生溶 胀或恶化膜的性能；
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25
测量截留相对分子质量的标称物一般分为三类： ① 球状蛋白质(如牛清蛋白Mw=6.7万，卵清蛋白Mw=4.4万，胰 岛素Mw=0.57万，VB12 Mw=0.12万) ② 带支链的多糖（如葡聚糖, Mw=23.6万、10万、4万、1万不 等） ③ 线性分子（如聚乙二醇，Mw=6000、10000、20000不等）
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第六节 UF的应用
I.
A. 在水处理中的应用 饮用水方面
采用膜净化饮用水是膜技术的最主要应 用。传统的水处理包括投药、凝聚、絮凝、沉淀、过滤和 杀菌等过程；新的规则要求去除三氯甲烷（THM）和其 他合成有机物。UF在去除对人有害的微生物方面是很有 效的。家用净水器就是活性炭吸附技术与UF技术杂化的 成功范例。UF也已成为我国目前在矿泉水生产中的主体 净化设备。
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第四节 越滤装置
与RO、NF装臵一样，UF膜组件有4种形式： 卷式（最常见，主要用于脱盐及超纯水的制备） 中空纤维式 板框式（处理粘度较大的料液） 管式（处理含悬浮物、高粘度的料液）
几种UF膜组件在膜比表面积、投资 费用、运行费用、流速控制及现场清洗等 方面的比较见教材P113的表5-3。
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22
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23
极限通量(J∞)与原料主体浓度 之间的对数值关系
浓差极化与凝胶形成
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第三节 UF膜的特性及制备方法
一. UF膜性能表征（特性）
渗透速率（即膜通量） 单位是L/m2· h，分为纯水渗透速率和 溶液渗透速率，前者可用于膜的性能指标的标定，UF的纯水
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11
Salt concentration gradients adjacent to a reverse osmosis desalination membrane.
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第 五章
超滤(UF)
Ultrafiltration membranes
1
第一节 概 述 1. 超 滤（UF）基本原理
超滤（UF）即超过滤，是介于MF和NF之间的一 种膜过程。膜孔径在0.1μm至5nm之间，但在实际 应用中一般不以孔径表征UF膜，而是以截留相对 分 子 量 [MWCO(molecular weight cut-off)] 表 征 （103~105）。 UF同MF相似，也是利用膜的“筛分”作用进行分 离的膜过程。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子 通过膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在膜的表面上， 使大小不同的粒子介以分离，不过其过滤精度更高， 因而膜孔更小，实际的操作压力也比MF略高，一 般为0.1~0.5MPa。
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三、超滤膜的制备
欲制备性能优良的UF膜，一是选择合适的膜材料； 二是选择合适的制膜工艺和最佳的工艺参数。
有机高聚物UF膜——大多为非对称膜，应用最广 的是相转化法。 无机UF膜——结构分三层，即分离层、中间层和 载体层。整个膜的孔径分布是由载体层到顶层 （分离层）逐渐减小，形成不对称分布。制法有 固体粒子烧结法、溶胶~凝胶法等。
实验室UF的操作模式
Laboratory ultrafiltration test systems(1)
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Filtrate
Laboratory ultrafiltration test systems(2)
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二. 超滤膜材料
日前商品化的UF膜都是采用聚合物材料由相转化法制备的， 常用材料包括： ——聚砜(PSF)/聚醚砜/(PES)磺化聚砜/聚砜酰胺(PSA) ——聚偏二氟乙烯（PVDF） ——聚丙烯腈（PAN） 有 ——纤维素（CA，CTA及再生纤维素） 机 ——聚酰亚胺(PI)/芳香聚酰胺(PA) 膜 ——聚脂肪酰胺 ——聚醚醚酮（PEEK） ——复合UF膜 无机膜 ——陶瓷膜（氧化铝、氧化锆） [其皮层通过溶胶~凝胶法制备]
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Milestones in the development of ultrafiltration
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4
2. UF的特点
① 属于压力驱动器型膜过程； ② 分离范围为相对分子质量1000~105的大分子物质 和胶体物质，相应粒子直径5nm~ 0.1μm； ③ 分离机理一般认为是机械筛分原理； ④ UF膜的形态为不对称结构； ⑤ 膜组件有形式有板式、卷式、管式、毛细管式 及中空纤维式； ⑥ 过滤的方式一般为错流过滤； ⑦ 膜皮层厚度小于1μm，操作压力低，可不考虑渗 透压的影响； ⑧ 易于工业化，应用范围广。
相对分子质量 Ultrafiltration membranes
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影响截留相对分子质量及截留率的因素
主要因素有： ——溶质分子的形状和大小
——膜材质与膜的形态结构
——其他溶质
——操作参数（如跨膜压差、错流速度、料液浓
度、温度、膜的预处理）等。
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UF膜结构及截留方式
结 构 特 征 ： 一 般 为 非 对 称 膜 ， 由 一 层 极 薄 的 （ 0.1~1μm ）具有一定孔径的表皮层和一层较厚的 （125μm左右）具有海绵状或指状结构的多孔层组 成，前者起分离作用，后者起支撑作用。 UF过程中溶质的截留包括：在膜表面上的机械截 留（筛分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面 及膜孔内的吸附等三种方式。
5. 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。
概括地说，就是分离效果降低，截留率改变， 通量下降。
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浓差极化的影响
渗透汽化
k——传质系数； J——膜通量
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（3）. 减少浓差极化的方法
由浓差极化形成原理可知，减小浓差极化边界层 厚度，提高溶质传质系数，均可减少浓差极化， 提高膜的透液速度。方法如下： ① 选择合适的膜组件结构；
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原水 格栅/预滤
原水 格栅/预滤 （混凝） 深度净化 Ⅰ
UF的应用
（混凝）
MF/UF
MF/UF
NF 深度净化 （a） 出水 出水 （b） Ⅱ
日本“新MAC21”项目中典型膜过滤系统流程
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UF的应用
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20
Ultrafiltration membranes
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渗透压模型
UF的溶质是高分子，在低浓度时其渗透压与操作压 力相比可忽略不计；随着溶液浓度升高，渗透压呈 指数关系急剧上升，此时必须考虑渗透压的影响。
极限通量——用纯水测定透过膜的通量时，其值与 操作压力成比例增加，但高分子溶液进行UF时，透 过膜的通量与压力不成比例，在达到一定值后，就 不随压力变化了，此时膜的透过通量即为极化通量。
渗透速率约为20~1000 L/m2· ；后者的渗透速率约为1~100 h
L/m2· h（依料液的性质而变）。当UF的通量低于1 L/m2· h时 没有实际应用的价值。
膜的截留性能
用截留相对分子质量（MWCO）来表征UF
膜 的 分 离 特 性 。 MWCO 一 般 指 膜 对 某 标 准 物 截 留 率 为 90%~95%时所对应的相对分子质量为该膜的截留相对分子质 量。目前各厂家尚无统一的测试方法和标准物质。
些装臵的安全运行，而且也提高了产品水的质量。UF
Ultrafiltration membranes
2
对象：UF主要从液相物质中分离大分子物质（蛋
白质、核酸聚合物、淀粉、天然胶、酶等）、胶
体分散液（粘土、颜料、矿物料、乳液粒子、微
生物）以及乳液（润滑脂、洗涤剂、油水乳液）。
采用先与合适的大分子结合的方法也可以从水溶 液中分离金属离子、可溶性溶质和高分子物质， 以达到净化、浓缩的目的。
B. 作为RO装置的前处理设备
如①海水淡化过程中，
一些细菌和藻类物质，利用常规的预处理技术很难完全
除去，它会在管道及膜面迅速繁衍生长，容易堵塞水路 和污染RO膜，如在RO之前使用UF处理其进水，可使
海水的FI值(污染指数)达到0~1，而且细菌及海藻等几乎
全 部 除 去 。 ② 高 纯 水 制 备 中 ， UF 透 过 水 完 全 可 作 RO/ED/离交等水处理系统的进水，这样不但保护了这
13
浓差极化引起的稳态条件下的浓度分布
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Ultrafiltration membranes
在稳定状态下，被脱除（截留）组分浓度分 布和易渗透组分的浓度分布情况。
（a）截留组分的浓度分布 （salt in desalination of water by reverse osmosis)
（b）易渗透组分的浓度分布 （water in dehydration of ethanol by pervaporation)
Ultrafiltration membranes
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第二节 超滤的基本理论
UF的基本原理
在一定的压力作用下，含有大、小分子溶质的溶 液流过UF膜表面时，溶剂和小分子物质（无机盐等） 透过膜，作为透过液被收集起来，而大分子溶质 （如有机胶体）则被膜截留而作为浓缩液被回收。
Ultrafiltration membranes
② 加入紊流器；
③ 料液横切流向设计； ④ 料液脉冲流动；
⑤ 螺旋流；
⑥ 提高流速；
⑦ 适当提高进料液温度以降低粘度，增大传质系数。
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18
增加湍流，减小边界层厚度以减小浓差极化
膜浓缩加大，浓差极化加大
膜通量加大，浓差极化加大
溶质扩散系数增大，浓差极化减少
当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质现膜面流 动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达 到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度 区，这一区域称为浓差极化边界层，这一现象称 为浓差极化。
Ultrafiltration membranes
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通量随时间变化趋势
压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图
Ultrafiltration membranes
19
湍 流 强 化 器
Flow dynamics around the spacer netting often used to promote turbulence in a membrane module and reduce concentration polarization
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UF和MF的功能有所不同，MF多数是除 杂，产物是过滤液；而UF着重是分离， 产物既可以是渗透液，也可以是截留液或 二者兼而有之。
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二、UF的基本传质理论
浓差极化
传质系数
速率方程
微孔模型
渗透压模型
凝胶极化模型
Ultrafiltration membranes
9
（1）. 浓差极化概述
在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透 过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面或 临近膜界面区域浓度越来越高。
在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压ห้องสมุดไป่ตู้加，从 而导致溶剂通量下降。
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（2）. 浓差极化的危害
1. 使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减 小传质驱动力； 2. 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面 形成沉或凝胶层，增加透过阻力； 3. 膜表面沉积层或凝胶层的形成会改变膜的分离特性； 4. 当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对膜发生溶 胀或恶化膜的性能；
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测量截留相对分子质量的标称物一般分为三类： ① 球状蛋白质(如牛清蛋白Mw=6.7万，卵清蛋白Mw=4.4万，胰 岛素Mw=0.57万，VB12 Mw=0.12万) ② 带支链的多糖（如葡聚糖, Mw=23.6万、10万、4万、1万不 等） ③ 线性分子（如聚乙二醇，Mw=6000、10000、20000不等）
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第六节 UF的应用
I.
A. 在水处理中的应用 饮用水方面
采用膜净化饮用水是膜技术的最主要应 用。传统的水处理包括投药、凝聚、絮凝、沉淀、过滤和 杀菌等过程；新的规则要求去除三氯甲烷（THM）和其 他合成有机物。UF在去除对人有害的微生物方面是很有 效的。家用净水器就是活性炭吸附技术与UF技术杂化的 成功范例。UF也已成为我国目前在矿泉水生产中的主体 净化设备。
Ultrafiltration membranes
31
第四节 越滤装置
与RO、NF装臵一样，UF膜组件有4种形式： 卷式（最常见，主要用于脱盐及超纯水的制备） 中空纤维式 板框式（处理粘度较大的料液） 管式（处理含悬浮物、高粘度的料液）
几种UF膜组件在膜比表面积、投资 费用、运行费用、流速控制及现场清洗等 方面的比较见教材P113的表5-3。
Ultrafiltration membranes
22
Ultrafiltration membranes
23
极限通量(J∞)与原料主体浓度 之间的对数值关系
浓差极化与凝胶形成
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第三节 UF膜的特性及制备方法
一. UF膜性能表征（特性）
渗透速率（即膜通量） 单位是L/m2· h，分为纯水渗透速率和 溶液渗透速率，前者可用于膜的性能指标的标定，UF的纯水
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Salt concentration gradients adjacent to a reverse osmosis desalination membrane.
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第 五章
超滤(UF)
Ultrafiltration membranes
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第一节 概 述 1. 超 滤（UF）基本原理
超滤（UF）即超过滤，是介于MF和NF之间的一 种膜过程。膜孔径在0.1μm至5nm之间，但在实际 应用中一般不以孔径表征UF膜，而是以截留相对 分 子 量 [MWCO(molecular weight cut-off)] 表 征 （103~105）。 UF同MF相似，也是利用膜的“筛分”作用进行分 离的膜过程。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子 通过膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在膜的表面上， 使大小不同的粒子介以分离，不过其过滤精度更高， 因而膜孔更小，实际的操作压力也比MF略高，一 般为0.1~0.5MPa。