超滤

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超滤膜组件

  

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概述

超滤是以压力为推动力的膜分离技术之一。以大分子与小分子分离为目的,膜孔径在20-1000A°之间。中空纤维超滤器(膜)具有单位溶器内充填密度高,占地面积小等优点。

在超滤过程中,水深液在压力推动下,流经膜表面,小于膜孔的深剂(水)及小分子溶质透水膜,成为净化液(滤清液),比膜孔大的溶质及溶质集团被截留,随水流排出,成为深缩液。超滤过程为动态过滤,分离是在流动状态下完成的。溶质仅在膜表面有限沉积,超滤速率衰减到一定程度而趋于平衡,且通过清洗可以恢复。

超滤起源于是1748年,Schmidt用棉花胶膜或璐膜分滤溶液,当施加一定压力时,溶液(水)透过膜,而蛋白质胶体等物质则被截留下来,其过滤精度远远超过滤纸,于是他提出超滤一语,1896年,Martin制出了第一张人工超滤膜,其20世纪60年代,分子量级概念的提出,是现代超滤的开始,70年代和80年代是高速发展期,90年代以后开始趋于成熟。我国对该项技术研究较晚,70年代尚处于研究期限,80年代末,才进入工业化生产和应用阶段。

超滤装置如同反渗透装置,有板式、管式(内压列管式和外压管束式)、卷式、中空纤维式等形式。浓差极化乃是膜分离过程的自然现象,如何将此现象减轻到最低程度,是超滤技术的重要课题之一。目前采取的措施有:①提高膜面水流速度,以减小边界层厚度,并使被截留的溶质及时由水带走;②采取物理化学的洗涤措施。  

原理

超滤是一种加压膜分离技术,即在一定的压力下,使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜,而使大分子溶质不能透过,留在膜的一边,从而使大分子物质得到了部分的纯化。超滤原理也是一种膜分离过程原理,超滤利用一种压力活性膜,在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质,而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。通过膜表面的微孔筛选可截留分子量为3x10000—1x10000的物质。当被处理水借助于外界压力的作用以一定的流速通过膜表面时,水分子和分子量小于300—500的溶质透过膜,而大于膜孔的微粒、大分子等由于筛分作用被截留,从而使水得到净化。也就是说,当水通过超滤膜后,可将水中含有的大部分胶体硅除去,同时可去除大量的有机物等。

超滤原理并不复杂。在超滤过程中,由于被截留的杂质在膜表面上不断积累,会产生浓差极化现象,当膜面溶质浓度达到某一极限时即生成凝胶层,使膜的透水量急剧下降,这使得超滤的应用受到一定程度的限制。为此,需通过试验进行研究,以确定最佳的工艺和运行条件,最大限度地减轻浓差极化的影响,使超滤成为一种可靠的反渗透预处理方法。  

分类

超滤根据所加的操作压力和所用膜的平均孔径的不同,可分为微孔过滤、超滤和反渗透三种。微孔过滤所用的操作压通常小于4×10^4 Pa,膜的平均孔径为500埃~14微米,用于分离较大的微粒、细菌和污染物等。超滤所用操作压为4×10^4 Pa~7×10^5 Pa,膜的平均孔径为10-100埃,用于分离大分子溶质。反渗透所用的操作压比超滤更大,常达到35×10^5 Pa~140×10^5 Pa,膜的平均孔径最小,一般为10埃以下,用于分离小分子溶质,如海水脱盐,制高纯水等。  

优点&缺点

超滤技术的优点是操作简便,成本低廉,不需增加任何化学试剂,尤其是超滤技术的实验条件温和,与蒸发冷冻干燥相比没有相的变化,而且不引起温度、pH的变化,因而可以防止生物大分子的变性、失活自溶。在生物大分子的制备技术中,超滤主要用于生物大分子的脱盐、脱水和浓缩等。超滤法也有一定的局限性,它不能直接得到干粉制剂。对于蛋白质溶液,一般只能得到10~50%的浓度。  

超滤膜

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 和0.025mm。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0.1mm~1.0mm),和一层相对厚得多的(约1mm)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pH 1~14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%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。  

超滤装置

超滤装置一般由若干超滤组件构成。通常可分为板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式四种主要类型。由于超滤法处理的液体多数是含有水溶性生物大分子、有机胶体、多糖及微生物等。这些物质极易粘附和沉积于膜表面上,造成严重的浓差极化和堵塞,这是超滤法最关键的问题,要克服浓差极化,通常可加大液体流量,加强湍流和加强搅拌。  

应用

在生物制品中应用超滤法有很高的经济效益,例如供静脉注射的25%人胎盘血白蛋白(即胎白)通常是用硫酸铵盐析法、透析脱盐、真空浓缩等工艺制备的,该工艺流程硫酸铵耗量大,能源消耗多,操作时间长,透析过程易产生污染。改用超滤工艺后,平均回收率可达97.18%;吸附损失为1.69%;透过损失为1.23%;截留率为98.77%。大幅度提高了白蛋白的产量和质量,每年可节省硫酸铵6.2吨,自来水16000吨。目前国外生产超滤膜和超滤装置最有名的厂家是美国的Milipore公司和德国的Sartorius公司。  

超滤净水器

超滤净水器即使用超滤技术对水进行净化处理的设备。与其它净水设备的区别在于它的设备中使用有超滤膜。 采用中空纤维超过滤新技术,配合三级预处理过滤清除自来水中杂质;超滤微孔小于0.01微米(十万分之一毫米),能彻底滤除水中的细菌、铁锈、胶体等有害物质,保留水中对人体有益的微量元素和矿物质,杂质超浓缩水由排放阀排出;中空纤维膜出水量大,不易堵塞,滤芯可反复清洗,寿命长;超滤机利用自来水压提供动力,不耗电,滤芯更换方便。

一般由:①PP棉滤芯、②颗粒活性碳、③树脂滤芯、④超滤膜滤芯 四级过滤组成,五级过滤设备多加了一个后置活性炭,六级的多加了一个矿化滤芯就成立市场上见到的直饮水机。

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