第六章_微滤(MF)

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MF膜在过滤时介质不会脱落，没有杂质溶出，无毒，使用 方便，使用寿命较长，同时，膜孔分布均匀，可将大于孔 径的微粒、细菌、污染物截留在滤膜表面，滤液质量较高， 也称为绝对过滤（Absolute Filtration）。适合于过滤悬浮 的微粒和微生物。
MF滤除微粒和微生物的效率
测试微粒 直径/μm 脱除率/%
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错流过滤是工业上应用的最常见的一种 操作方式。尤其是后面地陆续介绍的UF、 NF和RO。其特点是原料液以切线方向 流过膜表面，在压力作用下小于膜孔的 微粒和溶剂透过膜，大于膜孔的颗粒则 被截留形成污染层，但与终端过滤不同 的是料液流经过膜表面时产生的高剪切 力可使沉积在膜表面上的微粒扩散返回 主体流，被带出膜组件。
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MF膜材料
疏水聚合物膜：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚丙烯(PP)
亲 水 聚 合 物 膜 ： 纤 维 素 酯 (CA 和 CTA) 、 聚 碳 酸 酯 (PC)、聚砜/聚醚砜(PSF/PES)、聚酰亚胺/聚醚酰亚 胺(PI/PEI)、聚脂肪酰胺(PA)
陶瓷膜：氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅
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MF分离机理
尽管普遍认为MF的分离机理类似于“筛分”，但在这 种“筛分”过程中，MF膜的结构起着决定性的作用，膜的 结构不同，截留机理也有较大差异。
对于MF膜，比较公认的有两种结构，一种称为“筛分” 膜(screen membranes)，它拥有几乎完美的圆柱形孔，这些 孔或多或少与膜表面垂直并随机分散。用核刻蚀法制备的PC 膜即属该类。
除上述截留之外，某些情况下，还有静电截留。
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（a）膜表面层截留
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（b）膜内部截留 （网络中截留）
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（A）终端过滤或死端过滤 （Deal-end filtration or In-line filtration）
（B）错流过滤（Cross-flow filtration）
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production line used to prepare ampoules of injectable drug solutions
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滤芯过滤器
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Sterile filtration of a small-volume pharmaceutical solution with a 142 mm plate-and-frame filter（平板式过滤器） used as a
3. 纳滤（NF）： 指小于2nm的微粒或可溶物被截留的压力 驱动型膜过程。
4. 反渗透（RO）：指高压下溶剂逆着其渗透压而选择性透 过的膜过程。
由于分离的精度不同，因而其原理、过程用膜及操作方 式也不完全相同。
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压力驱动型膜分离过程谱图
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MF、UF、NF和RO膜过程示意图
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第二节 微 滤（MF）基本过程
微滤(Microfiltration)又称为“微孔过滤”，它是以静压差 为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜分离过程。
MF膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，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，使大小不一的组分得以分离。
球形SiO2 0.21
＞99.99
球形聚苯乙烯
0.038 ＞99.99
0.085 100
细菌 0.1~0.4
100
热原 0.001 ＞99.997
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MF的特点
与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺布相比， MF膜有以下几个特点： ①属于绝对过滤介质 ②孔径均匀，过滤精度高 ③ 厚 度 薄 ， 吸 附 量 小 。 MF 膜 的 厚 度 一 般 为 10~200μm。 ④通量大。由于MF膜的孔隙率高，因此在同等过 滤精度下，流体的过滤速度比常规过滤介质高几 十倍。 ⑤无介质脱落，不产生二次污染。 ⑥颗粒容纳量小，易堵塞。
无锡市超滤设备厂
折叠滤芯,平板滤膜 CN-CA,CA-CTA 0.22~0.8
上海医工院
平板滤膜
CN-CA
0.2~3.0
旅顺化工厂
平板滤膜
PSA
0.2~0.8
辽源市膜分离设备厂
平板滤膜,管式
PSA
01~3
机电部北京第十设计研究院 蜂窝滤芯
PP,棉纤维
0.8~75
化工部南通合成材料实验厂 折叠滤芯,平板滤膜 尼龙-66
PC——聚碳酸酯
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实验室小型MF膜设备
实验室MF膜中试设备
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发酵液提取陶瓷膜成套设备
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第五节. MF膜的应用
在工业发达国家，从家庭生活到尖端技术都在不同程度 上应用MF技术，其主要用于无菌液体的制备、生物制剂的 分离、超纯水的制备以及空气的过滤、生物及微生物的检测 等方面。
①. 在医疗卫生领域中的应用
主要体现在药用水（包括纯净水、注射用水）的过滤、小针 剂及眼药液的精滤及终端过滤，血液过滤，中草药液、后发 酵液的澄清过滤，空气、蒸汽的过滤等。在制药工业中，终 端过滤的选择相当关键，其去除效率取决于选择合适的滤膜 材料、膜孔径及流程。
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Flow diagram illustrating the use of microfiltration sterilization filters in a
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③. 在食品饮料工业领域中的应用
MF技术普遍用于酒类、饮用水、茶饮料、果汁、奶制品、 碳酸饮料的澄清和除菌过滤。如用孔径小于0.5μm的微孔 滤膜（滤芯过滤器）对啤酒和酒进行过滤后，可脱除其中 的酵母、霉菌和其他微生物。经这样处理的产品清澈、透 明、存放期长，且成本低。
我国经多年努力，已研制出多种材质的系列孔径的MF膜 元件，并形成产业化规模，已广泛用于国内各大著名的饮 料生产商，如旭日升、汇源果汁、农夫果汁等企业。
第六章
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第一节 概 述
MF、UF、NF和RO的共同特点是以静压差为推动力而达 到分离目的。它们的区别是分离精度不同，因而压差也 不同。按IUPAC的定义如下：
1. 微滤（MF）：指大于0.1μm的微粒或可溶物被截留的压 力驱动型膜过程。
2. 超滤（UF）：指小于0.1μm大于2nm的微粒或可溶物被 截留的压力驱动型膜过程。
主要有：厚度、过滤速率、空隙率、孔径及其分布等4个方 面。 膜厚通常用0.01mm的螺旋千分尺测定，较严格的方法是以 专用的薄膜测厚仪测定。
过滤速度是以恒压连续过滤装置测定流体在一定温度和压 力下，单位时间内透过单位膜面积的液体量。
空隙率是通过测定的表面密度、真密度，然后按公式计算。
MF膜的孔径对严格控制成膜条件和选择滤膜的最佳应用极 为重要。常用测定方法有压汞法、泡压法、气体流量法和 已知颗粒通过法等。许多商品膜标示孔径时，通常也都注 明所用的测试方法。
另一种是“深层”膜(depth membranes)，其孔是弯曲不 规则的，膜的表面也很粗糙，一部分孔的路径与膜表面是平 行的。通常的商品PVC、PVDF、PTFE、CA、PES和PP等 材质膜即属该类。
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筛 分 膜
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深 层 膜
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(a) Screen filtration
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(b) Depth filtration
0.2~0.8
苏州净化设备厂
平板滤膜
CN-CA
0.2~3
上海集成过滤器材厂
折叠滤芯,平板滤膜 PS,PP,PTFE 0.2~0.6
中科院大连化物所
平板滤膜
PSA
0.2~0.8
中科院高能物理所
平板滤膜
PC
核孔膜
CN——硝酸纤维素，CA——醋酸纤维素，PAN——聚丙烯腈，CTA——三醋酸纤维素
PSA——聚砜酰胺，PS——聚砜，PP——聚丙烯，PTFE——聚四氟乙烯，
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②. 在生物化学和微生物研究中的应用
利用不同孔径的MF膜收集细菌、酶、蛋白、虫卵等 提供分析。利用膜进行生物培养时，可根据需要在 培养过程中变换培养基，以达到多种不同的目的， 并可进行快速检验。因此，MF技术已被用于水质检 验、临床微生物标本的分离、溶液的澄清、酶活性 的测定等。
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龙岩学院 Flow schematic of an ultrapure water treatment system 32
原水
絮凝沉淀
砂、无烟煤过滤
加氯消毒杀菌
阴床
阳床
RO
预过滤
阴阳混床
MF
用户
电子工业超纯水制备流程
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⑤. 在油田注水的应用
在石油开采中，向低渗透油田实行早期注入高质 量的水是对低渗透油田补充能量，稳定产量的长 期的根本保证。
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终
错
端
流
过
过
滤
滤
两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系
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终端过滤，原料液置于膜的上游，在 压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒 透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留， 该压差可通过原料液加压或透过液侧 抽真空产生。
随时间的延长，被截留颗粒将在膜表 面形成污染层，污染层且不断增厚和 压实，使过滤阻力增加，在操作压力 不变的情况下，膜渗透速率将下降。 因此这种常规过滤操作只是间歇式的， 必须进行周期性的清洗，不过其简单 易行，适宜小规模的场合和初步检测 膜的性能。若在工业上应用，建议在 固含量低于0.1%的情况下使用。
MF作用相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙 率高，因而阻力小，过滤速度快，实际操作压力也较低 （1~2atm或bar[巴]）。
MF主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小 悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红细球、污染物等， 以达到净化、分离和浓缩的目的。被分离粒子的直径范围 为 0.1~10μm。
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MF分离机理(续)
可分两大类：
（1）膜表面层截留：又分有①机械截留（筛分截留）， 指MF膜将尺寸大于其孔径的微粒等杂质截留；②吸 附截留，指MF膜将尺寸小于基孔径的微粒通过物理 或化学作用吸附而截留；③架桥截留，指固体颗粒 在膜的微孔入口因架桥作用而被截留。
（2）膜内部截留（也称为网络截留），这种截留发生 在膜的内部，往往是由于膜孔的曲折而形成。
由于过滤导致的微粒的沉积速度与流速 产生的剪切力引发的微粒返回主体的速 度达到平衡，可使污染层不再增厚而保 持在一个较薄的水平，因此膜通量可以 在较长时间内稳定在一定的水平。
污染层的厚度与压力有关，也与流量有 关，为了使膜的污染程度最小，要有合 理的压力和流速的匹配关系。
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第三节. 微滤膜的性能测定
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原料
糖化
发酵
后发酵
硅藻土过滤
ຫໍສະໝຸດ Baidu
罐装
膜过滤Ⅱ
膜过滤Ⅰ
缓冲罐
鲜生啤酒生产中膜过滤流程
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④. 在电子工业中的应用
电子工业使用的流体包括气体和液体，过滤器大致分为气体过 滤器和液体过滤器。气体过滤器采用疏水性MF膜来从主体气 体（氮、氧、氢）和特殊气体（如硅烷、胂、磷化氢、氨） 中去除粒子。液体过滤器分成化学药剂过滤、光敏抗蚀剂过 滤器及去离子水过滤器。
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微滤 (MF)膜技术参数
类 型
序 号
型号
膜材质
平均孔径
膜通量 （L/㎡h）
构型
最大操 作压力 （bar）
最高耐 受温度 （℃）
正常运 行
pH值
耐受 pH值
生产商
微1 EW
滤 2 JX
聚砜（PS）
聚偏氟乙烯 （PVDF）
0.04μm
207
卷 式 10.3
50
2.0～ 11.0
2.0～ 11.5
在电子工业中，对去离子水的要求很高，因此应选择洁净度高， 滤膜完整性好，孔径均匀的MF膜，否则会影响去离子水的水 质，进而导致电子元器件或集成电路板的报废。
MF膜在纯水制备中主要用处有两方面：一是在RO或ED前用 作保安过滤器，用以清除细小的悬浮物质；二是在阳/阴或混 合交换柱后，作为最后一级终端过滤手段，用它滤除树脂碎 片或细菌等杂质。
0.3μm
226
卷 式 10.3
50
2.0～ 11.0
2.0～ 13.0
膜 3
聚四氟乙烯（PTFE） 0.1～
K
3μm
248
卷式
2
50
2.0～ 11.0
1.0～ 13.0
Desal Desal Desal
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国产主要微孔滤膜的性能概况
厂家
类型
膜材料
膜孔径/μm
杭州水处理技术研发中心 折叠滤芯,平板滤膜 CN+CA,PAN 0.22~70
prefilter in front of a small disposable cartridge final filter.
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Standard-size disposable cartridges can be connected in series or parallel to handle large flows.