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1、4.1 超滤原理超滤原理 超滤过程基本原理如图所示。在以静压差为推动力的作用下,原料液中溶剂和小于超滤膜孔的小分子溶质将透过膜成为滤出液或透过液,而大分子物质被膜截留,使它们在滤剩液中的浓度增大。第四章第四章 超滤超滤4.2 超滤膜及超滤膜及传质机理传质机理 超超滤滤膜膜:为非对称性膜,膜孔径为1 20nm,能够截留分子量500以上的大分子和胶体微 粒,操作压力一般为0.10.5MPa。目前,常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。超滤过程的传质模型v筛子模型溶剂的渗透通量：溶质的渗透通量：水的渗透通量：v细孔模型4.3 浓差极化浓差极化 在超滤分离过程中,膜截留下来的溶
2、质粒子在膜前积累,使膜表面溶质浓度逐渐高于原料液主体溶质浓度,在此浓度差为推动力的作用下,溶质便从膜表面向料液主体扩散,形成 具有浓度梯度的边界层,这就是超滤过程的浓差极化。当这种扩散的溶质通量与随着溶剂到达膜表面的溶质通量相等时,即达到动态平衡。由于浓差极化,膜表面处溶质浓度高,会导致溶质截留率的下降和渗透通量的下降。当膜表面处溶质浓度达到饱和时,在膜表面形成凝胶层,使溶质截留率增大,但渗透率显著减小。4.4 影响渗透通量的因素影响渗透通量的因素 操作压力 压差是超滤过程的推动力,对渗透通量产生决定性的影响。一般情况下,在压差较小的范围内,渗透通量随压差增长较快;当压差较大时,随压差的增加渗
3、透通 量增长逐渐减慢,且当膜表面形成凝胶层时,渗透量趋于定值不再随压差而变化,此时的渗透通量称为临界渗透通量。实际超滤操作压力应接近临界渗透通量时的压差,若压差过高不仅无益而且有害。 料液流速 浓差极化是超滤过程不可避免的现象,为了提高渗透通量,必须使极化边界层尽可能的小。目前,超滤过程采用错流操作,即加料错流流过膜表面,可清除一部分极化边界层。为了进一步减薄边界层厚度,提高传质系数,可增加料液的流速和湍流程度, 这种方法与单纯提高流速相比可节约能量,降低料液对膜的压力。实现料液端动的方法有在 流道内附加带状助湍流器、脉冲流动等。 温度 料液温度升高,粘度降低,有利于增大流体流速和湍动程度,减
4、轻浓差极化,提高传质系数,提高渗透通量。但温度上升会使料液中某些组分的溶解度降低,增加膜污染,使渗透通量下降,如乳清中的钙盐;有些物质会因温度的升高而变形,如蛋白质。因此,大多数超滤应用的温度范围为3060。牛奶、大豆体系的料液,最高超滤温度不超过5560。 截留液浓度 随着超滤过程的进行,截留液浓度不断增加,极化边界层增厚,容易形成凝胶,会导致渗透通量的降低。因此,对不同体系的截留液浓度均有允许最大值。如颜料和分散染料体系,最大截留液浓度为30%50%,多糖和低聚糖体系,最大截留液浓度 为1%10%等。4.5 超滤过程的工艺流程超滤过程的工艺流程 超滤的操作方式可分为重过滤和错流过滤两大类。
5、重过滤是靠料液的液柱压力为推动力,但这样操作浓差极化和膜污染严重,很少采用,而常采用错流操作。错流操作工艺流程又可分为间歇式和连续式。 间歇式间歇式 常见的间歇式流程见图。图中(a)为间歇操作开式回路流程,将一批料液加入贮槽,用泵加压后送往膜组件,使之连续排出透过液,浓缩液则返回槽中与贮槽中原料液 混合后送往膜组件。如此循环操作,直到浓缩液浓度达到预定值为止。这种流程操作简单, 浓缩速度快,所需膜面积小,但全循环时泵的能耗高。为了降低能耗,可采用部分循环操作,如图(b)所示为间歇操作闭式回路流程。间歇操作通常在实验室中和小型中试厂使用。 截留液全循环截留液部分循环 连续式连续式 连续式超滤过程
6、是指料液连续不断加人贮槽和产品的不断产出。可分为单级和多级。单级连续式操作过程的效率较低,一般采用如图所示的多级连续式操作。将几个循环回路串联起来,每一个回路即为一级,每一级都在一个固定的浓度下操作,从第一级到最后一级浓度逐渐增加。最后一级的浓度是最大的,即为浓缩产品。多级操作只有最后一级在高浓度下操作,渗透通量低,其他级操作浓度均较低,渗透通量相应也较大,因此级效率高;而且多级操作所需的总膜面积较小。它适合在大规模生产中使用,特别适用于食品工业领域。单段连续操作多段连续操作4.5 超滤技术的应用超滤技术的应用 超滤的工艺应用可分为三种类型：浓缩、小分子溶质的分离、大分子溶质的分级。绝大部分的
7、工业应用属于浓缩这个方面,也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质。前面在讲述反渗透技术应用时提到超滤与反渗透结合可回收干酪乳清蛋白、分离油水乳液、处理生活废水。下面介绍超滤技术在其他方面的应用。(1)回收电泳涂漆废水中的涂料回收电泳涂漆废水中的涂料 世界各国的汽车工业几乎都采用电泳涂装技术给汽车车身上底漆,该技术也被用在机电工业、钢制家具、军事工业等部门。在金属电泳涂漆过程中,带电荷的金属物件浸入一个装有带相反电荷涂料的池内。由于异电相吸,涂料便能在金属表面形成一层均匀的涂层,金属物件从池中捞出并用水洗除随带的涂料,因而产生电泳漆废水。可采用超滤技术将废水中的高分子涂料及颜料颗粒截留
8、下来,而让无机盐、水及溶剂穿过超滤膜除去,浓缩液再回到电 泳漆贮槽循环使用,透过液用于淋洗新上漆的物件。(2) 酶制剂的生产酶制剂的生产 酶是一种具有高度催化活性的特殊蛋白质。相对分子质量在1万10万之间。采用超滤技术处理粗酶液,低分子物质和盐与水一起透过膜除去,而酶得到浓缩和精制。目前超滤已用于细菌蛋白酶、葡萄糖苷酶、凝乳酶、果胶酶、胰蛋白酶、葡萄糖氧化酶等的分离。与传统的盐析沉淀和真空浓缩等方法相比,采用超滤法提高可酶的回收率,防止酶失活,而且可简化提取工艺,降低操作成本。下图所示为糖化酶超滤浓缩流程示意图。糖化酶发酵液加2%酸性白土处理,经板框压滤,除去培养基等杂质,澄清的滤液经过过滤器
9、压入循环槽进行超滤浓缩。透过液由超滤器上端排出,循环液中糖化酶被超滤膜截留返回循环液贮槽循环操作,直至达到要求的浓缩倍数。第五章第五章 微滤微滤微滤（微滤（MF）是利用微孔膜孔的筛分作用，在静）是利用微孔膜孔的筛分作用，在静压差的推动下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细压差的推动下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下来，达到除去滤液中微粒菌及悬浮物质等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。与澄清溶液的目的。 微滤的孔径：微滤的孔径：0.0510 m，孔隙率达到，孔隙率达到70-80 操作压差：操作压差：0.010.2MPa5.1 微滤的基本原理微滤的基本原理（1）机械截留作用
10、）机械截留作用 过筛作用过筛作用（2）物理作用或吸附截留）物理作用或吸附截留（3）架桥作用）架桥作用（4）网络型膜的网络内部截留作用）网络型膜的网络内部截留作用5.2 微滤传质机理及模型微滤传质机理及模型（1）孔模型）孔模型（2）扩展的浓差极化模型（扩展的扩散模型）扩展的浓差极化模型（扩展的扩散模型）（3）覆盖层模型）覆盖层模型Ruth方程方程5.3 微滤的应用微滤的应用迄今为止，微滤是所有膜分离过程中应用最普遍、总销售额迄今为止，微滤是所有膜分离过程中应用最普遍、总销售额最大。最大市场是制药行业的过滤除菌。最大。最大市场是制药行业的过滤除菌。（1）制药工业）制药工业（2）电子工业）电子工业（3）其他领域）其他领域 生化与微生物研究领域；食品工业；环境治理等生化与微生物研究领域；食品工业；环境治理等
