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1、. . . 超滤技术的应用及发展趋势摘要：本文初步论述了膜分离技术的种类，特点、工艺概况，介绍了超滤分离技术的研究现状及其原理，类型和基本过程，最后具体介绍了超滤技术在水处理方面的应用，展望了超滤技术的未来发展趋势。关键词：膜分离技术，超滤技术，水处理，发展趋势1. 膜分离技术概述 膜分离技术是近30年来发展起来的一项高新技术，也是当前促进和保证社会持续发展的关键技术之一，已在能源、电子、化工、医药、食品、汽车、家电、环保等领域，发挥着其独特的重要作用1。用膜近万平方米的大型超滤退浆废水，处理厂，2400104t/d的地表水微孔过滤净化工厂，每年救治几十万人生命的人工肾(透析器)已成为现代的重
2、要医疗手段，膜法制取的矿泉水、纯净水、优质饮用水等已进入千家万户，这些已充分了显示了膜分离技术的应用规模、水平和重要作用。1.1膜分离过程的种类膜分离技术最重要的组成部分是膜。膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离2。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子围进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。种类膜的功能 分离驱动力 透过物质 被截流物质 微滤 多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子 压力差 水、溶剂
3、和溶解物 悬浮物、细菌类、微粒子、大分子有机物 超滤 脱除溶液中的胶体、各类大分子 压力差 溶剂、离子和小分子 蛋白质、各类酶、细菌、病毒、胶体、微粒子 反渗透和纳滤 脱除溶液中的盐类及低分子物质 压力差 水和溶剂 无机盐、糖类、氨基酸、有机物等 透析 脱除溶液中的盐类及低分子物质 浓度差 离子、低分子物、酸、碱 无机盐、糖类、氨基酸、有机物等 电渗析 脱除溶液中的离子 电位差 离子 无机、有机离子 渗透气化 溶液中的低分子及溶剂间的分离 压力差、浓度差 蒸汽 液体、无机盐、乙醇溶液 气体分离 气体、气体与蒸汽分离 浓度差 易透过气体 不易透过液体 图中分别给出了按分离原理和按被分离物质的大小
4、区分的分离膜种类，从中可以看出，除了透析膜主要用于医疗用途以外，几乎所有的分离膜技术均可应用于任何分离、提纯和浓缩领域3。反渗透和纳滤作为主要的水及其它液体分离膜之一，在分离膜领域占重要地位。 1.2 膜分离技术特点8 6 * G( H3 l2 n& D2 F9 K3 f9 ; m7 W u膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离4。与传统的蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等分离技术相比，膜分离具有以下特点：l , H, b$ ?: 5 P/ J$ p + g8 H) 7 E膜分离通常是一个高效的分离过程。l ) P. L- M* !
5、 z4 4 l4 r! L膜分离过程的能耗（功耗）通常比较低。l 多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适用于对热敏物质的处理膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很少需要维护，可靠度很高。它的操作十分简单，而且从开动到得到产品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作。l 0 X6 ?2 v9 / a膜分离过程的规模合处理能力可在很大围变化，而它的效率、设备简单单价、运行费用等都变化不大。l 膜分离由于分离效率高，通常设备的体积比较小，占地较少。1.3工艺优点（1）在常温下进行。有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩 。（2）无相态变
6、化。保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8 。（3）无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染 。（4）选择性好。可在分子级进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能 。（5）适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化 （6）能耗低。只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8。2.超滤技术2.1超滤技术概述超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05um至1nm之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛
7、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，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。主要用于分离溶液中的大分子、胶体和微粒，具有高效率、低能耗的分离特点。近年来随着膜材料及膜工艺的不断发展。超滤技术已成为污水处理中的一个重要的操作单元。 对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量围在1000300000，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。超滤是以静压差为推动力，根据颗粒物大小和相对分子质量的不同来
8、进行分离的膜技术。超滤膜的孔径一般在3-30nm，透过的物质分子量一般小于1000Da1，被截留的物质分子量在1000-300000 Dal之间。超滤技术的分离机理主要是筛分作用，但有时在溶剂分子、溶质分子均小于其孔径的情况下，仍然具有明显的截留作用，说明膜表面的化学特性、膜表面的静电作用在超滤分离过程中占据着不可忽视的地位。超滤技术从20世纪90年代开始得到广泛的应用，是一项新型的高效分离技术，它具有工艺简单，经济效益高，不发生相变，分离系数较大，节能，高效，无二次污染，可在常温下连续操作等特点，在市政给水、制革废水、电镀废水、纺织印染废水、屠宰废水、食品废水的处理方面以及其他各工业领域和科
9、学研究中得到广泛的应用5。我国已经研究开发的超滤膜品种有醋酸纤维素CA,聚丙烯睛PAN,聚矾PSF,聚醚矾PES,聚矾酞胺PSA,聚氯乙烯PVC,聚偏氟乙烯PVDF,磺化聚矾SPSF和聚醚酮 PEK等，以及以瓷、氧化铝、多孔玻璃等为膜材料的无机超滤膜，应用研究前景广阔。 2.2 超滤原理 超滤目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。 分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。 反渗透膜的操作压力高达10MPa。（1）超滤操作中的渗透压 由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗
10、透压。 渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度； 一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。（2）实现超滤的条件超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差； pp 操作压 p0 渗透压 patm 大气压反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。 因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”（3）超滤的基本方程 (5.11a)JV ：溶剂的体积通量（m3/m3s）Lp ：溶剂的透过系数（单位时间、单位膜面积的处理量）p :膜两侧
11、的压差：膜两侧溶液的渗透压差：膜对溶质的反射系数 012.3 超滤膜的类型 超滤膜是多孔的，但与微滤膜相比，其结构更具有不对称性，这种不对称膜包括一个很薄的皮层(一般小于lm)和一个多孔亚层。所以超滤膜的表征主要是皮层表征即厚度。孔径分布和表面孔隙率，超滤膜皮层典型的孔径在2100nm围。 按制膜材料分类，超滤膜可分为有机膜和无机膜。 按膜的外形特征可将超滤膜分为：平板膜；管式超滤膜，径l0nm；毛细管式超滤膜，径0.501000nm；中空纤维超滤膜，径05nm；多孔超2.4超滤技术基本过程超滤是以静压差为推动力，根据颗粒物大小和相对分子质量的不同来进行分离的膜技术。超滤膜的孔径一般在3-30
12、nm，透过的物质分子量一般小于1000Da1，被截留的物质分子量在1000-300000 Dal之间。超滤技术的分离机理主要是筛分作用，但有时在溶剂分子、溶质分子均小于其孔径的情况下，仍然具有明显的截留作用，说明膜表面的化学特性、膜表面的静电作用在超滤分离过程中占据着不可忽视的地位6。超滤过程本质是一种机械筛分的过程，膜的清水侧水质基本保持稳定，浓水侧的溶质和颗粒物等杂质不断累积7。超滤的运行过程示意图如图1-1所示，可以分为5个阶段，分别为过滤开始、污染物浓缩、孔堵塞和滤饼层形成、反冲洗和排污。. . 图中，中间的阴影部分表示超滤膜，膜的下侧为浓水，上侧为清水，图中的小黑点表示粒径小于膜孔径
13、的颗粒，圆圈表示无法通过膜的较大颗粒。在运行初期，小颗粒物质可以顺利通过膜孔，进入清水侧，这部分主要是小分子有机物、包括氨氮在的大部分可溶性无机物。较大颗粒物质则被截留，这部分物质主要包括泥沙、藻类、胶体颗粒、部分有机物、细菌、病毒等微生物。随着超滤的继续进行，被截留的物质浓度逐渐增高，并且有一部分吸附在膜表面和膜孔中，前者形成多孔疏松结构的滤饼层，滤饼层随时间延长会在压力下逐渐形成结构紧密的凝胶层，凝胶层对部分小分子有机物有一定的吸附作用。后者会造成膜孔吸附污染和孔堵塞，从而使膜通量降低，跨膜压差增高。通过反冲洗阶段，滤饼层可被基本去除，如果同时加以曝气，产生的气泡切割水面产生剪切力可以提高
14、去除效果，此时的浓水侧包含了清洗下来的大颗粒凝聚成的胶体团。反冲洗后，浓水侧的污染物含量浓度升高，会加速滤饼层的形成，因此，在一次或数次反冲洗后进行排污，即排干净浓水，并注入新的原水，可以有效的减缓膜污染。3 超滤技术在水处理领域中的应用 虽然超滤可以有很多的应用领域，但大规模的水处理通常集中在以下方面：饮用水供水终端、地表水处理、海水处理、流体的回用。3.1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8。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。3.2 地表水处理UF系统非常多
