超滤膜的原理和方法

一、工作原理
过滤是使液体通过多孔过滤介质以分离其中所含的固体颗粒的一种操作。

过滤介质截阻颗粒而让液体通过，随着被分离的颗粒变小，要求介质的通道也要变小。

如果颗粒小到亚微细粒的程度，膜孔大小就要趋近于能阻止溶液中大分子的通过。

这种利用半透膜的微孔过滤以截留溶液中大溶质分子的操作称为超滤，而这样的半透膜称为超滤膜。

超滤的驱动力是压力，通常高达1.0MPa。

运用液压迫使溶液透过膜并按溶质分子大小、形状等差异，把大溶质分子阻留在膜的一侧，成为浓缩液; 而小分子的溶质则随
溶剂透过膜到另一侧，成为透过液流出。

如果将所得浓缩液用水稀释，再进行超滤，可使料液中的低分子溶质进一步随透过液流出，而高分子物质逐步得到提纯，这样的过程称为全滤(如图8-4)。

超滤具有分离和提纯的作用。

1. 分离作用
图8-4 超滤原理示意图
1—进料2—浓缩液3—清液4—超滤膜
低分子质量的溶质随溶媒一起透过滤膜，高分子质量的溶质被截留，因此，料液被分为带有低分子溶质的透过液和带有高分子溶质及残留低分子溶
质的浓缩液。

2. 提纯作用
由于分离，提高了浓缩液中总固体里高分子量溶质的百分率，因此，提纯了高分子溶质。

在透过液中，低分子溶质由于从高分子溶质中分离出来，也得到了提纯。

二、超滤膜
(一)超滤膜的膜渗机理
料液在超滤膜内的流动问题比较复杂，简单的床层流动理论不能充分解释膜内的流动，它不是单纯属于一般毛细管内层流的机理。

通常膜渗机理有下述两种模型：
1. 毛细流动模型
在这种模型中，溶质的脱除主要靠流过微孔结构的过滤或筛滤作用，半透膜阻止了大分子的通过，按这一模型建立的流动是毛细孔中的层流流动。

2. 溶解扩散模型
在这种模型中，假定扩散质的分子，先溶解于膜的结构材料中，而后再经载体的扩散而传递。

因为分子种类不同，溶解度和扩散度也就不同。

实际上，两种模型在膜渗传递中都可能存在，但反渗透以溶解扩散机理占优势，而超滤则以毛细流动机理占优势。

为此，又出现综合两种机理的所谓“优先吸着毛细流动” 的机理。

(二) 超滤膜的结构和材料
目前，超滤膜已发展到第三代。

第一代为醋酸纤维素膜(CA膜)，耐pH范围3～8，耐温0～50℃，易受微生物和酶的作用，在强酸和弱碱条件下水解，并且在正常使用时会因蠕变使透水速率降低。

尽管有这些缺点，它在食品工业上目前仍得到广泛应用。

第二代为聚合物膜，制造超滤膜有代表性的聚合物包括多种热塑性塑料，如聚甲基丙烯酸甲基、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龙等。

用于高温的热塑性塑料如芳族聚酰胺、芳族聚醚等。

由这些聚合物制成的半透膜的特性是，具有高压力下抵抗破坏、高温下抵抗变性、在酸碱和氧化环境下抵抗腐蚀等特性。

第三代是锆-氧化铝膜，耐温达400℃，滤膜厚0.1μm，为多孔凝胶附着在100～1000μm厚的多孔托板上。

普通使用的醋酸纤维半透膜，具有不对称和超微孔的结构，它有一层由致密聚合物做成的超薄(亚微)表层，此层支持在下面的支撑层之上，支撑层由较厚的微孔聚合物制成。

表层和支撑层由一次浇铸工艺制成。

(三)超滤膜的构型
超滤膜在工业应用上有平板状、管状、螺旋板状和空心纤维状等几种不同的形式。

目前国内应用的大多数为板状和管状，空心纤维膜(中空纤维膜) 也已开始试制并应用于生产。

1. 平板膜
这种膜主要用于结构与板框压滤机相似的设备上。

半透膜张紧在一组多孔板上，用一块带槽的板来支持。

支撑板的材料为聚砜(polysulfone)，呈椭圆形，长径长度为35cm，由双层空心夹板组成。

两个表面设计为弧形浅沟，即由多根凸起的弧形圈组成多条料液通道，适于处理粘性物料，不易形成膜面上的浓料沉积，能加快透过速度，改善流动状况。

超滤膜紧贴于支撑板的两面。

两端开圆孔，料液由一端进入，流过膜面，从另一端流出。

清液透过膜层及支撑板沟槽上的长条孔隙，进入夹板空心，从支撑板边上的一个小管流出。

超滤膜紧贴于支撑板上，在两端圆孔处有锁圈将其固定，如图8-5所示。

当两块支撑板叠合时，有一面的锁圈为流通圈，可将料液疏导至支撑板膜面。

多块膜板重合，料液并流通过一定数量的并流膜板后，在流通孔上设一挡圈，使料液进入另一组并流膜板，两组连接，形成串联，两组流动方向相反。

如此，多组膜板叠合，组成多次并流与串流，清液从每个膜面透过流出，超滤液不断地得到浓缩(如图8-6所示)。

图8-5 超滤膜及支撑板组合图
1—流通圈2—超滤膜3—支撑板4—超滤膜5—锁圈图8-6 超滤膜组合图
1—超滤膜2—支撑板3—隔板4—流通圈5—锁圈
A—料液进口B—清液出口C—浓缩液出口
2. 管状膜
这种膜是牢固地紧贴在支撑管内侧，做成的一个元件，是广泛应用的一种膜型。

完整的组件是将此管状膜装入外壳内构成，很像简单的管式换热器。

3. 空心纤维膜
这种膜是在平板膜基础上开发出的具有空间立体几何形状的薄膜，使单位体积的膜渗设备不依靠极薄的半透膜而有很大的膜渗能力。

在各种几何形状中，最有吸引力的是小直径的空心圆柱，而圆柱壁由半透膜制成。

因此，圆柱面积与体积之比值反比于直径，而且对于给定的内外径比值，壁厚正比于直径，故单位体积空心圆柱膜的透过量与直径的平方成反比。

这样，采用空心圆柱构形，就大大地提高了单位体积膜渗设备的生产能力。

可以证明，在超滤应用上，采用一个大小合理的小直径空心纤维膜的圆柱束，则所发生的透过液量将相当于几十平方米超薄平板膜上所得者。

空心纤维为细长的膜管，内壁为膜层，膜层结合于海绵式的外壁上，外壁有粗孔，内层起超滤分离作用。

内膜孔的大小，决定管内被阻物质的大小。

空心纤维内径约200μm，由惰性的非离子聚合物制成，具有独特的各向异性的(表皮)结构，有明显高的流率(如图8-7)。

图8-7 空心纤维超滤膜筒
三、超滤装置
(一) 板式分离装置
用于大规模生产的平板式超滤分离设备有类似板框式的结构(如图8-8)。

在这种设备中，被处理的液体在窄沟道中流动，沟道宽度仅0.3～0.5mm，液体沿膜做径向流动。

在同一膜上，与膜接触的路程只有150mm左右。

通常液体流动的平均流速约为0.5m/s，故流动为层流。

一般平板膜渗设备由许多膜渗组件构成，每一组件提供一定的膜面积，从几平方米到几十平方米。

(二) 空心纤维膜渗分离器
图8-8 平板膜分离装置结构原理
1—隔离板2—半透膜3—膜支撑板4—中央螺栓
空心纤维膜渗分离装置的外形亦为壳管状(如图8-9)。

图8-9 中空纤维膜组件剖面图
1—盐水2—进料3—取样4—中空纤维膜5—环氧树脂管板6—多孔支撑板7—产品8—外壳9—环氧树脂块
这种膜渗分离器把几千万根空心纤维集束的开口端用环氧树脂粘接，装填在管状壳体内而成。

其特点是：(1)装置内单位体积的膜面积很大; (2)膜壁薄，液体透过速度快; (3) 因空心纤维的几何构形具有一定的耐压性能，故强度高。

四、超滤在乳品工业上的应用
国外已将超滤用于脱脂乳的浓缩，可制取含蛋白质高达50%～80%的脱脂浓乳。

超滤已被证实为在乳清中浓缩和回收蛋白质的有效方法(如图8-1 0)。

图8-10 乳清的超滤。