超滤原理1

超滤

超滤（Ultra filtration，UF）也叫错流过滤（Cross Filtration），是一个压力驱动的膜分离过程，它利用多孔材料的拦截能力，将颗粒物质从流体及溶解组份中分离出来。超滤膜的典型孔径在0.01-0.1微米之间，对于细菌和大多数病毒、胶体、淤泥等具有极高的去除率，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的。膜的公称孔径越小，去除率越高。超滤膜通常使用的材料都是高分子聚合物，该过程为常温操作，无相态变化，不产生二次污染，可广泛应用于物质的分离、浓缩、提纯。超滤过程无相转化，常温操作，对热敏性物质的分离尤为适宜，并具有良好的耐温、耐酸碱和耐氧化性能。

以压力差为推动力的膜过滤可区分为超滤膜过滤、微孔膜过滤和逆渗透膜过滤三类。它们的区分是根据膜层所能截留的最小粒子尺寸或分子量大小。以膜的额定孔径范围作为区分标准时，则微孔膜(MF)的额定孔径范围为0.02～10μm；超滤膜(UF)为0.001～0.02μm；逆渗透膜(RO)为0.0001～0.001μm。由此可知，超滤膜最适于处理溶液中溶质的分离和增浓，或采用其他分离技术所难以完成的胶状悬浮液的分离。超滤膜的制膜技术，即获得预期尺寸和窄分布微孔的技术是极其重要的。孔的控制因素较多，如根据制膜时溶液的种类和浓度、蒸发及凝聚条件等不同可得到不同孔径及孔径分布的超滤膜。超滤膜一般为高分子分离膜，用作超滤膜的高分子材料主要有纤维素衍生物、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺及聚碳酸酯等。超滤膜可被做成平面膜、卷式膜、管式膜或中空纤维膜等形式，广泛用于如医药工业、食品工业、环境工程等。

超滤技术是近年来依托于材料科学发展起来的先进的膜分离技术，已广泛地应用到工业及民用的各个领域。

超滤的工作原理

超滤膜筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。每米长的超滤膜丝管壁上约有60亿个0.01微米的微孔，其孔径只允许水分子、水中的有益矿物质和微量元素通过，而最小细菌的体积都在0.02微米以上，因此细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来，从而实现了净化过程。

能在60℃ 以下，pH为2-11的条件下长期连续使用中空纤维超滤膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式。中空纤维外径0.5-2.0mm，内径0.3-1.4mm，中空纤维管壁上布满微孔，孔径以能截留物质的分子量表达，截留分子量可达几千至几十万。原水在中空纤维外侧或内腔加压流动，分别构成外压式与内压式。超滤是动态过滤过程，被截留物质可随浓缩小排除，不致堵塞膜表面，可长期连续运行。

超滤采用不易堵塞的外压式结构，具有更高的截污量，更大的过滤面积，清洗也更简便、彻底。流态设计以全流过滤为主，但元件也可以很方便地转换成错流过滤的模式。与错流相比，全流过滤能耗低、操作压力低，因而运行成本更低。相对的，错流过滤则能处理悬浮物更高的

超滤膜剖面156倍电镜照片

流体。因此具体的操作形式需根据进水中悬浮物含量来确定。

超滤通常以恒流方式运行，跨膜压差(TMP)将随运行时间逐渐增加，此时通过定期的反洗或者气擦洗可以清除污染层，而使用杀菌剂或者其它清洗剂则能够更彻底地控制微生物繁殖，去除污染物。

超滤技术的优势：

•超滤与传统的预处理工艺相比，系统简单、操作方便、占地小、投资省、且水质极优，可满足各类反渗透装置的进水要求。

•合理地选择运行条件和清洗工艺，可完全控制超滤的浓差极化问题，使此预处理方法更可靠。

•超滤对水中的各类胶体均具有良好的去除特性,因而可以考虑扩大到凝结水精处理及离子交换除盐系统的预处理中。

超滤膜的种类

超滤技术的关键是膜。膜有各种不同的类型和规格，可根据工作的需要来选用。早期的膜是各向同性的均匀膜，即现在常用的微孔薄膜，其孔径通常是

0.05mm ～1.0mm。近几年来生产了一些各向异性的不对称超滤膜，其中一种各向异性扩散膜是由一层非常薄的、具有一定孔径的多孔“皮肤层”（厚约0.1m和0.025mm），和一层相对厚得多的（约1m）更易通渗的、作为支撑用的“海绵层”组成。皮肤层决定了膜的选择性，而海绵层增加了机械强度。由于皮肤层非常薄，因此高效、通透性好、流量大，且不易被溶质阻塞而导致流速下降。常用的膜一般是由乙酸纤维或硝酸纤维或此二者的混合物制成。近年来为适应制药和食品工业上灭菌的需要，发展了非纤维型的各向异性膜，例如聚砜膜、聚砜酰胺膜和聚丙烯腈膜等。这种膜在pH1～14都是稳定的，且能在90℃下正常工作。超滤膜通常是比较稳定的，若使用恰当，能连续用1～2年。暂时不用，可浸在1%甲醛溶液或0.2%叠氮化钠NaN3中保存。超滤膜的基本性能指标主要有：水通量[cm3/(cm2/h)]；截留率（以百分率％表示）；化学物理稳定性（包括机械强度）等。

超滤膜的结构有对称和非对称之分。前者是各向同性的，没有皮层，所有方向上的孔隙都是一样的，属于深层过滤；后者具有较致密的表层和以指状结构为主的底层，表层厚度为0.1微米或更小，并具有排列有序的微孔，底层厚度为200～250微米，属于表层过滤。工业使用的超滤膜一般为非对称膜。超滤膜的膜材料主要有纤维素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交链的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物等等。

超滤技术的应用领域

近30年是超滤技术迅速发展的时期，超滤分离技术被广泛地应用于饮用水制备、食品工业、制药工业、工业废水处理、金属加工涂料、生物产品加工、石油加工等领域。

饮用水处理：由于对饮用水的质量要求越来越严格，水处理公司投入越来越大的精力来控制供水管网中存在的微生物的量。为了做到这一点，因此一种方法是进行昂贵、频繁的水质检验，或者在供水终端设置防止细菌和病毒进入的屏障。

采用UF系统，可以非常方便的建成这样的屏障。超滤膜对细菌的去除率可以达到6log，对于病毒的去除率达到4log，因此水厂和用水者都不必在担心细菌和病毒的问题。由于饮用水的质量本身就很高（浊度和悬浮固体都非常低），因此此时的膜系统可以可以采用很高的膜通量，可以达到135升/平米.小时。同时较高的入水条件，因此反冲频率和化学加强反洗的频率都可以非常低，产水量可以达到99％。如果需要还可以设立二级超滤系统，将第一级的反洗水进一步回用。

用超滤法制备自来水，较常用的预处理方法水质高，工艺简单，占地面积小；饮用水的深度净化，用城市自来水或可以饮用的原水进一步净化达到国家饮用净水的标准，可以提供直饮水源；矿泉水的净化，天然矿泉水经超滤净化不改变微量元素成分，同时达到可以直接饮用的目的。

地表水处理：超滤系统非常多的应用在地表水处理上，处理后的水用于灌溉或作为反渗透的入水，来制备工业用水。在荷兰，出现了越来越多的这类工厂。这种技术提供了一种新型的工业用水的方式，即不必在购买越来越贵的饮用水，而是就近取用地表水处理后使用。

右图为GE的ZeeWeed水处理系统用于北京奥运场馆

GE provided the 2008 Olympic National Stadium with its ZeeWeed Ultrafiltration membrane water recycling technology. At Beijings Oinghe Waste Water Plant, the system recycled rainwater for the stadium, processing up to 80,000 cubic meters of water per day, and storing it underground pools. This approach reduced the stadiums need for fresh water, by making an abundance of recycled water available for landscaping, fire-fighting, and cleaning purposes