中空纤维超滤膜应用指南

中空纤维超滤膜应用指南

一、超滤的基本概述

超滤是一种将溶液进行净化、分离或浓缩的膜透过法分离技术。20多年来发展迅速，已成为膜分离领域中最为广泛应用的品种之一。其应用面非常广泛，小至家用净水器，大到现代工业生产，从普通民用到高新技术领域都有不同规模的应用，甚至于在环境保护方面也有极大的使用潜力，超滤是一种最有发展前途的膜法分离技术。

二、超滤膜组件的基本类型

目前，工业上常用的超滤膜器件主要有下列五种类型：板框式、园管式、螺旋卷式、中空纤维式、毛细管式，其主要特征列于下表。

各种基本类型膜均有不同的适用性，在工业上应用最为广泛的是中空纤维式，特别是在净化、分离的应用中。而在粘度较高的溶液净化、分离、浓缩过程中，则板框式或园管式有更大的适用性。

三、超滤膜的超滤特性

在膜分离技术范畴内，分离精度自反渗透至微滤过滤范围的连续谱图中可见，超滤介于纳滤与微滤之间。

膜过滤谱图

超滤的定义域为截留分子量500～500000左右，相应膜孔径大小的近似值为μ～μ。截留分子量与膜孔径两者尚无对应关系。简单的理解，超滤膜如同筛子，在一定压力（～）下，允许溶剂和小于膜孔径的溶质透过，而阻止大于孔径的溶质通过，以完成溶液的净化、分离和浓缩。

超滤过程有如下特点：

（1）超滤过程无相际变化，可以在常温及低压下进行分离，因而能耗低，约为蒸发法与冷冻法的1/2～1/5；

（2）设备体积小，结构简单，故投资费用低，易于实施；

（3）超滤分离过程只是简单的加压输送液体，工艺流程简单，易于操作管理；

（4）溶液在分离、浓缩过程中不发生质的变化，因而适合于保味及热敏性溶液的处理；

（5）适合于从稀溶液中分离微量贵重大分子物质的回收和低浓度大分子物质的回收；

（6）能将不同分子量的物质分级分离；

（7）超滤膜是由高分子聚合物制成均匀的连续体，在使用过程中无任何杂质的脱落，保证被处理溶液的纯净。

由以上分离特性可知，超滤的应用范围很广，但归根到底，主要应用于溶液的净化、分离和浓缩。

四、超滤技术的特性参数

超滤技术特性参数主要指分离透过性能：

（1）透水速率（超滤速率）：

在一定工作压力、温度下，单位面积（在研究领域中）或单个组件（在工业应用中），在单位时间内所透过的水量，称为透水速率。

膜的透水速率除与温度、压力有关外，取决于膜材料，膜的形态结构等物化性能，此外与操作条件包括溶液的性质有密切的关系。因而商品膜的透水速率是指在一定温度、压力下纯水透水速率。

（2）截留分子量（切割分子量）与截留率：

商品超滤膜多用截留分子量或相近孔径的大小来表明产品的截留性能。截留分子量是指能被膜截留住的溶质中最小溶质的分子量。

截留率指溶液中被膜截留的特定溶质的量所占溶液中该物定溶质总量的比率。

可由下式表示：

R o=（1-C p/C f）×100

式中：R o——截留率；

C p——透过液中特定溶质的浓度；

C f——原溶液中特定溶质的浓度。

通常超滤膜所标称的截留分子量，对具有相同分子量的线形分子物质或球形蛋白类分子，物质的截留率分别应为≥90％和≥95％。国外不同公司产品其标准并不一致。

五、中空纤维式超滤膜

中空纤维超滤膜为超滤技术中的一个重要分支，由于中空纤维式超滤膜结构的特殊性，膜无支承体，成型工艺连续性、均一性良好，结构简单，超滤液易于保持纯洁等优点，在超滤领域中的应用已占首要地位。

中空纤维超滤膜分为内压型及外压型两种。外压型原液在中空纤维外侧加压流动，而内压型在中空纤维内腔中加压流动，其结构见下图。

1、制膜材料：

制造超滤膜的材料很多，但用于制造中空纤维超滤膜材料主要为一部分成纤性能良好的高分子材料。对膜材料的要求是具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、微生物侵蚀性和抗氧化性。并且具有良好的亲水性，以得到高的水通量和抗污染能力。目前常用的中空纤维超滤膜材料有如下几种：

聚砜、聚醚砜属于疏水性膜材料，机械强度高，耐热、耐化学性良好，为目前应用较多的膜材料之一。

聚丙稀腈（PAN）主要采用共聚改性聚丙稀腈，具有良好的亲水性与耐化学性，特别是抗氯和抗溶剂性能好。由于材料亲水性、透水速率及耐污染性能优于聚砜类膜材料。

聚偏氟乙稀（PVDF）膜材料为含氟材料中适用于超滤膜制备的最好材料，有极优良的机械强度和耐高温、耐化学侵蚀性。使用温度范围为-40℃～200℃以上，可以在强酸、强碱和有机溶剂条件下使用。对于特殊用途可采用该材料制备中空纤维超滤膜。

醋酸纤维素目前应用于制备中空纤维超滤膜较少，但可制备截留分子量较小的超滤膜。

此外，聚氯乙稀（PVC）、聚乙稀醇（PVA）、聚砜酰胺（PSA）等也可制备中空纤维超滤膜，但实际上应用较少。

2、中空纤维式超滤膜的制备：

超滤膜的制备方法很多，而中空纤维超滤膜主要采用相转换法。

相转换法主要有浸渍凝胶法、溶剂蒸发凝胶法和溶出法等。目前商品化的中空纤维超滤膜主要采用浸渍凝胶法制备，制膜过程大致可分为七个步骤：

（1）将制膜材料溶入特定的溶剂中，并根据需要加入相应致孔添加剂；（2）通过搅拌使膜材料充分溶解，而成为均匀的制膜液；

（3）过滤去掉未溶解的其他杂质；

（4）脱除溶液中微细的气泡；

（5）在纺丝机中用特制的喷丝头挤出形成中空状原纤；

（6）使原纤中部分溶剂蒸发；

（7）将原纤渍于对膜材料是非溶剂的凝固浴中（通常是水或水溶液），液态原纤立即凝固成固态中空纤维；

（8）后处理使中空纤维具备某种固有性能。

六、超滤膜在水处理应用中的工艺

1、前处理

超滤法在水处理及其他工业净化、浓缩、分离过程中，可以作为工艺过程的预处理，也可以作为工艺过程的深度处理。在广泛应用的水处理工艺过程中，常作为深度净化的手段。根据中空纤维超滤膜的特性，有一定的供水前处理要求。因为水中的悬浮物、胶体、微生物和其他杂质会附于膜表面，而使膜受到污染。由于超滤膜水通量比较大，被截留杂质在膜表面上的浓度迅速增大产生所谓浓度极化现象，更为严重的是有一些很细小的微粒会进入膜孔内而堵塞水通道。另外，水中微生物及其新陈代谢产物生成粘性物质也会附着在膜表面。这些因素都会导致超滤膜透水率的下降以及分离性能的变化。同时对超滤供水温度、PH值和浓度等也有一定限度的要求。因此对超滤供水必须进行适当的预处理和调整水质，满足供水要求条件，以延长超滤膜的使用寿命，降低水处理的费用。

A、微生物（细菌、藻类）的杀灭：