超濾膜的原理和方法

1、、工作原理過濾是使液體通過多孔過濾介質(zhì)以分離其中所含的固體顆粒的一種操作。過濾介質(zhì)截阻顆粒而讓液體通過，隨著被分離的顆粒變小，要求介質(zhì)的通道也要變小。如果顆粒小到亞微細(xì)粒的程度，膜孔大小就要趨近于能阻止溶液中大分子的通過。這種利用半透膜的微孔過濾以截留溶液中大溶質(zhì)分子的操作稱為超濾，而這樣的半透膜稱為超濾膜。超濾的驅(qū)動力是壓力，通常高達(dá)1.0MPa。運(yùn)用液壓迫使溶液透過膜并按溶質(zhì)分子大小、形狀等差異，把大溶質(zhì)分子阻留在膜的一側(cè)，成為濃縮液而小分子的溶質(zhì)則隨溶劑透過膜到另一側(cè)，成為透過液流出。如果將所得濃縮液用水稀釋，再進(jìn)行超濾，可使料液中的低分子溶質(zhì)進(jìn)一步隨透過液流出，而高分子物質(zhì)逐步得到提純

2、，這樣的過程稱為全濾（如圖8-4）o超濾具有分離和提純的作用。1.分離作用4圖8-4超濾原理示意圖1 進(jìn)料2濃縮液3清液4超濾膜低分子質(zhì)量的溶質(zhì)隨溶媒一起透過濾膜，高分子質(zhì)量的溶質(zhì)被截留，因此,料液被分為帶有低分子溶質(zhì)的透過液和帶有高分子溶質(zhì)及殘留低分子溶質(zhì)的濃縮液。2 .提純作用由于分離，提高了濃縮液中總固體里高分子量溶質(zhì)的百分率，因此，提純了高分子溶質(zhì)。在透過液中，低分子溶質(zhì)由于從高分子溶質(zhì)中分離出來，也得到了提純。二、超濾膜（一）超濾膜的膜滲機(jī)理料液在超濾膜內(nèi)的流動問題比較復(fù)雜，簡單的床層流動理論不能充分解釋膜內(nèi)的流動，它不是單純屬于一般毛細(xì)管內(nèi)層流的機(jī)理。通常膜滲機(jī)理有下述兩種模型：1

3、 .毛細(xì)流動模型在這種模型中，溶質(zhì)的脫除主要靠流過微孔結(jié)構(gòu)的過濾或篩濾作用，半透膜阻止了大分子的通過，按這一模型建立的流動是毛細(xì)孔中的層流流動。2 .溶解擴(kuò)散模型在這種模型中，假定擴(kuò)散質(zhì)的分子，先溶解于膜的結(jié)構(gòu)材料中，而后再經(jīng)載體的擴(kuò)散而傳遞。因?yàn)榉肿臃N類不同，溶解度和擴(kuò)散度也就不同。實(shí)際上，兩種模型在膜滲傳遞中都可能存在，但反滲透以溶解擴(kuò)散機(jī)理占優(yōu)勢，而超濾則以毛細(xì)流動機(jī)理占優(yōu)勢。為此，又出現(xiàn)綜合兩種機(jī)理的所謂優(yōu)先吸著毛細(xì)流動”的機(jī)理。（二）超濾膜的結(jié)構(gòu)和材料目前，超濾膜已發(fā)展到第三代。第一代為醋酸纖維素膜（CA膜），耐pH范圍38,耐溫050C,易受微生物和酶的作用，在強(qiáng)酸和弱堿條件下水解

4、，并且在正常使用時(shí)會因蠕變使透水速率降低。盡管有這些缺點(diǎn)，它在食品工業(yè)上目前仍得到廣泛應(yīng)用。第二代為聚合物膜，制造超濾膜有代表性的聚合物包括多種熱塑性塑料，如聚甲基丙烯酸甲基、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍等。用于高溫的熱塑性塑料如芳族聚酰胺、芳族聚醴等。由這些聚合物制成的半透膜的特性是，具有高壓力下抵抗破壞、高溫下抵抗變性、在酸堿和氧化環(huán)境下抵抗腐蝕等特性。第三代是錯-氧化鋁膜，耐溫達(dá)400C,濾膜厚0.1d叫為多孔凝膠附著在1001000dm厚的多孔托板上。普通使用的醋酸纖維半透膜，具有不對稱和超微孔的結(jié)構(gòu)，它有一層由致密聚合物做成的超薄（亞微）表層，此層支持在下面的支撐層之上，支撐層由

5、較厚的微孔聚合物制成。表層和支撐層由一次澆鑄工藝制成。（三）超濾膜的構(gòu)型超濾膜在工業(yè)應(yīng)用上有平板狀、管狀、螺旋板狀和空心纖維狀等幾種不同的形式。目前國內(nèi)應(yīng)用的大多數(shù)為板狀和管狀，空心纖維膜（中空纖維膜）也已開始試制并應(yīng)用于生產(chǎn)1.平板膜這種膜主要用于結(jié)構(gòu)與板框壓濾機(jī)相似的設(shè)備上。半透膜張緊在一組多孔板上，用一塊帶槽的板來支持。支撐板的材料為聚碉(polysulfone),呈橢圓形，長徑長度為35cm,由雙層空心夾板組成。兩個表面設(shè)計(jì)為弧形淺溝，即由多根凸起的弧形圈組成多條料液通道，適于處理粘性物料，不易形成膜面上的濃料沉積，能加快透過速度，改善流動狀況。超濾膜緊貼于支撐板的兩面。兩端開圓孔，料

6、液由一端進(jìn)入，流過膜面，從另一端流出。清液透過膜層及支撐板溝槽上的長條孔隙，進(jìn)入夾板空心，從支撐板邊上的一個小管流出。超濾膜緊貼于支撐板上，在兩端圓孔處有鎖圈將其固定，如圖8-5所示。當(dāng)兩塊支撐板疊合時(shí)，有一面的鎖圈為流通圈，可將料液疏導(dǎo)至支撐板膜面。多塊膜板重合，料液并流通過一定數(shù)量的并流膜板后，在流通孔上設(shè)一擋圈，使料液進(jìn)入另一組并流膜板，兩組連接，形成串聯(lián)，兩組流動方向相反。如此，多組膜板疊合，組成多次并流與串流，清液從每個膜面透過流出，超濾液不斷地得到濃縮(如圖8-6所示)o3oo245圖8-5超濾膜及支撐板組合圖1流通圈2一超濾膜3一支撐板4超濾膜5一鎖圈圖8-6超濾膜組合圖1一超濾

7、膜2一支撐板3隔板4流通圈5一鎖圈A料液進(jìn)口B一清液出口C濃縮液出口2 .管狀膜這種膜是牢固地緊貼在支撐管內(nèi)側(cè)，做成的一個元件，是廣泛應(yīng)用的一種膜型。完整的組件是將此管狀膜裝入外殼內(nèi)構(gòu)成，很像簡單的管式換熱器。3 .空心纖維膜這種膜是在平板膜基礎(chǔ)上開發(fā)出的具有空間立體幾何形狀的薄膜，使單位體積的膜滲設(shè)備不依靠極薄的半透膜而有很大的膜滲能力。在各種幾何形狀中，最有吸引力的是小直徑的空心圓柱，而圓柱壁由半透膜制成。因此,圓柱面積與體積之比值反比于直徑，而且對于給定的內(nèi)外徑比值，壁厚正比于直徑，故單位體積空心圓柱膜的透過量與直徑的平方成反比。這樣，采用空心圓柱構(gòu)形，就大大地提高了單位體積膜滲設(shè)備的生

8、產(chǎn)能力?？梢宰C明，在超濾應(yīng)用上，采用一個大小合理的小直徑空心纖維膜的圓柱束，則所發(fā)生的透過液量將相當(dāng)于幾十平方米超薄平板膜上所得者。空心纖維為細(xì)長的膜管，內(nèi)壁為膜層，膜層結(jié)合于海綿式的外壁上，外壁有粗孔，內(nèi)層起超濾分離作用。內(nèi)膜孔的大小，決定管內(nèi)被阻物質(zhì)的大小空心纖維內(nèi)徑約200dm,由惰性的非離子聚合物制成，具有獨(dú)特的各向異性的（表皮）結(jié)構(gòu)，有明顯高的流率（如圖8-7）o海喻液出I!端板空心好維料液進(jìn)I起施清液出口超渡滴液出”圖8-7空心纖維超濾膜筒三、超濾裝置（一）板式分離裝置用于大規(guī)模生產(chǎn)的平板式超濾分離設(shè)備有類似板框式的結(jié)構(gòu)（如圖8-8）。在這種設(shè)備中，被處理的液體在窄溝道中流動，溝道

9、寬度僅0.30.5mm,液體沿膜做徑向流動。在同一膜上，與膜接觸的路程只有150mm左右。通常液體流動的平均流速約為0.5m/s,故流動為層流。一般平板膜滲設(shè)備由許多膜滲組件構(gòu)成，每一組件提供一定的膜面積，從幾平方米到幾十平方米。（二）空心纖維膜滲分離器圖8-8平板膜分離裝置結(jié)構(gòu)原理1一隔離板2半透膜3膜支撐板4中央螺栓空心纖維膜滲分離裝置的外形亦為殼管狀（如圖8-9）o圖8-9中空纖維膜組件剖面圖1鹽水2進(jìn)料3取樣4中空纖維膜5環(huán)氧樹脂管板6多孔支撐板7產(chǎn)品8外殼9環(huán)氧樹脂塊這種膜滲分離器把幾千萬根空心纖維集束的開口端用環(huán)氧樹脂粘接，裝填在管狀殼體內(nèi)而成。其特點(diǎn)是：（1）裝置內(nèi)單位體積的膜面積很大；（2）膜壁薄，液體透過速度快；（3）因空心纖維的幾何構(gòu)形具有一定的耐壓性能，故強(qiáng)度高。四、超濾在乳品工業(yè)上的應(yīng)用國外已將超濾用于脫脂乳的濃縮，可制取含蛋白質(zhì)高達(dá)50%80%的脫脂濃乳。超濾已被證實(shí)為在乳清中濃縮和回收