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1、第三章 超滤,概述 超滤的基本理论 超滤膜的特性及制备方法 超滤装置 超滤膜的污染与清洗 超滤的应用,本章主要内容,第一节概述,超滤（Ultrafiltration，简称UF)，又称超过滤 1861年，Schmidt公布用牛心包膜截留可溶性阿拉伯胶 1907年，Bechhold较为系统研究了超滤膜，首次采用“超滤”术语 1963年，Michaels开发了不同孔径的CA超滤膜 1965-1975年，UF大发展，从CA扩大到PS、PC、PAN、PES等等 我国的超滤技术，70年代中期起步，80年代大发展，90年获得广泛应用，10多个品种,第二节 超滤的基本理论,超滤是一种筛分过程，通过膜表面的微孔
2、结构对物质进行选择性分离； 过滤粒径约1100 nm，分子量大于500的大分子和胶体，如多糖、蛋白质、酶 压力驱动型膜分离技术，0.1-0.5 MPa的静压差 商品化的超滤膜多为不对称膜,1.超滤膜的工作原理,当液体混合物在一定压力下流经膜表面时，小分子溶质透过膜（称为超滤液），而大分子物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高（称为浓缩液），从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。 超滤截留大分子物质的机理是： 膜表面的孔径机械筛分作用； 在膜孔中停留而被除去（阻塞）； 膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。,2.超滤与反渗透的异同,共同点： 推动力均是压力差，在溶液的压力下，溶剂等小分子通过薄膜
3、，而较大的溶解物质被阻滞在膜表面上。 区别： 膜不同 机理不同 工作压力不同, 膜不同 超滤膜较疏松，透水量大，除盐率低；一般用超滤分离大分子和胶体，能够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大10倍 反渗透膜致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质,简单的透过和截留示意图,各种渗透膜对不同物质的截留功能示意图 1. 溶剂； 2. 小分子； 3.大分子； 4.微粒,膜分离法与物质大小(直径)的关系, 机理不同 超滤的去除机理主要是筛滤作用； 在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。 工作压力不同 超过滤的工作压力低(0.10.5
4、 MPa)； 反渗透所需的工作压力高(1100 MPa)。,3. 超滤的基本传质理论,浓差极化 膜的透过通量单位时间内、单位面积膜上透过的溶液量，JV = V/At 溶质的截留率可由原溶液和透过液浓度求出 Ra = 1-cp/cb (cb原液浓度，cp透过液浓度；mg/L) 超滤膜选择性透过溶剂和小分子溶质，截留的大分子在膜表面积累，浓度上升并以相反方向向料液扩散，达到平衡状态时在膜表面形成一定的溶质层（凝胶层），阻碍溶剂等小分子的跨膜行为，此现象成为浓差极化。,减轻浓差极化的方法 一类是在膜过程中，采取一定的操作策略，如搅拌、引入脉动流、鼓泡、超声或使膜振动等 另一类则是优化和改进膜组件及膜
5、系统结构设计，如膜面处剪切流速的提高,设置湍流促进器等等,传质系数 速率方程（膜透过速率） 微孔模型（伯谡叶方程可计算溶质截留率、扩散系数） 渗透压模型（超滤浓缩时考虑） 凝胶极化模型,第三节 超滤膜的特性及制备方法,超滤膜材料一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用的是：醋酸纤维素膜、芳香聚酰胺膜、聚砜膜和聚砜酰胺膜和无机膜。,1. 对称膜和非对称膜,1. 对称膜和非对称膜,对称膜和非对称膜,单内皮层,双皮层,超薄活化层,多孔支撑层,内皮层中空纤维超滤膜的优点,膜的装填密度大， 组件结构紧凑。 由于料液流经中空纤维内孔，所以料液分
6、配均匀，流速较高，有利于克服浓差极化; 可很容易地把膜组件装入或卸出膜设备。 由于内、外表面上的孔径差别较大，且无中间海绵层 (双皮层膜有) 所以透过内表皮层的分子，不会被外皮层截留，产生堵塞与吸留的可能性小。 由于凝胶层形成仅发生在内表面，所以可用反冲洗来有效地清除。,2. 超滤膜的制备,高分子膜的制备 多为非对称膜，相转移方法 无机膜的制备 分三层，分离膜层、过渡层和载体层，形成不对称结构，溶胶-凝胶方法等,第四节超滤装置,1. 超滤膜组件：有板式、管式、卷式和中空纤维式四种。,2. 超滤基本工艺流程,超滤的操作模式可分为重过滤和错流过滤两大类 重过滤常用于蛋白质、酶等大分子的分离。 错流
7、过滤广泛应用于生产 间歇操作：常用于小规模生产。从保证膜透过通量来看，这种方式效率最高，因为膜始终可保证在最佳浓度范围内进行操作。在低浓度时，可得到很高的膜透过通量。 连续操作：常用于大规模生产。由于需要分离物料的生产量常比控制浓差极化所需的最小流量还小，因此运行时采用部分循环方式，而且循环量常比料液量大得多。,重过滤,错流过滤,间歇错流,截留液全循环,截留液部分循环,连续错流,单段连续操作,多段连续操作,错流过滤,第五节超滤膜的污染与清洗,一、超滤膜的污染 是被分离物质中某些成分吸附、留存在膜的表面和膜孔中造成的 溶质在膜表面的吸附层； 浓差极化引起的凝胶层； 膜孔内溶质吸附； 膜孔堵塞。,
8、超滤膜的通量,二、超滤膜污染的防治 1.改变膜结构和组件结构； 2.采用亲水性超滤膜或荷负电膜； 3.对料液进行预处理； 4.选择合适操作条件。,三、超滤膜的清洗 1.水清洗 2.反冲洗 3.气洗 4.酸碱洗 5.表面活性剂 6.氧化剂 7.酶清洗,第六节超滤应用,特 点 分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、分离、纯化分级的目的。 装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和增加组件。 装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。,工业废水的处理 城市污水处理 饮用水的生产 蛋白质的过滤、回收 果汁的澄清 食用油精练 医药产品的除菌 激素的提取
9、 酒类酿制 电泳涂漆废水中涂料的回收,超滤的应用领域,可用超滤处理的工业废水,电泳涂漆废水 含油废水（如油田含油污水、金属加工用乳化废液、含油清洗废水等） 摄影显影液废水 造纸工业废水（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、纸张上色废水等） 纺织工业废水（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废水、涤纶纤维油剂废水等） 光学玻璃研磨排水 放射性废水 食品工业废水，回收蛋白质、淀粉等。,本章习题,1.反渗透、超滤、纳滤、微滤的缩写 2.超滤截留大分子的机理是什么？它可截留哪些大分子物质？ 3.超滤和反渗透的简单比较 4.理解浓差极化现象并知道如何减轻它的危害 5.超滤（同微滤）的两种操作模式 6.膜污染一般包括哪些？如何防治？膜的一般清洗方法有哪些？,
