[宏潔水務(wù)]超濾膜技術(shù)應用匯總

超濾的技術(shù)應用

超濾UF的技術(shù)應用

　　    超濾（UF）的工作原理：

　　超濾技術(shù)是近年來(lái)依托于材料科學(xué)發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)的膜分離技術(shù)，已廣泛地應用到工業(yè)及市政建設的各個(gè)領(lǐng)域?！　?/span>

　　超濾(UF) 是一個(gè)壓力驅動(dòng)的膜分離過(guò)程，它利用多孔材料的攔截能力，將顆粒物質(zhì)從流體及溶解組份中分離出來(lái)。超濾膜的典型孔徑在0.01-0.1微米之間，對于細菌和大多數病毒、膠體、淤泥等具有極高的去除率。膜的公稱(chēng)孔徑越小，去除率越高。超濾膜通常使用的材料都是高分子聚合物，其基本性質(zhì)以疏水性為主。能夠進(jìn)行共混等親水性改性。該過(guò)程為常溫操作，無(wú)相態(tài)變化，不產(chǎn)生二次污染。

　　超濾采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料，系雙皮層中空纖維結構。在工業(yè)應用的PVDF超濾膜中，超濾具有最小的公稱(chēng)孔徑，能夠去除幾乎所有的微粒、細菌(4-log去除率)、大多數病毒以及膠體。盡管孔徑很小，但其極高的孔隙率使得超濾能夠獲得和微濾相當的通量，因而在大多數情況下是比微濾更好的選擇。

　　超濾采用不易堵塞的外壓式結構，具有更高的截污量，更大的過(guò)濾面積，清洗也更簡(jiǎn)便、徹底。流態(tài)設計以全流過(guò)濾為主，但元件也可以很方便地轉換成錯流過(guò)濾的模式。與錯流相比，全流過(guò)濾能耗低、操作壓力低，因而運行成本更低。相對的，錯流過(guò)濾則能處理懸浮物更高的流體。因此具體的操作形式需根據進(jìn)水中懸浮物含量來(lái)確定。

　　超濾通常以恒流方式運行，跨膜壓差(TMP)將隨運行時(shí)間逐漸增加，此時(shí)通過(guò)定期的反洗或者氣擦洗可以清除污染層，而使用殺菌劑或者其它清洗劑則能夠更徹底地控制微生物繁殖，去除污染物。

　　在水處理領(lǐng)域，超濾可用于出去水中的微粒、膠體、細菌、病毒、熱源、蛋白質(zhì)及高分子有機物，使水得到凈化。

超濾的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

超濾的優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn)

使用壽命長(cháng)：超濾采用特別性能的PVDF材料并經(jīng)過(guò)親水改性，具有極佳的抗氧化性和抗疲勞強度，抗污染，耐清晰，大大延長(cháng)了膜絲的使用壽命。

產(chǎn)水品質(zhì)高：超濾的平均過(guò)濾精度達到0.03µm，泡點(diǎn)壓力更高，對細菌去除率達到6-log，使得其獲得更佳的產(chǎn)水品質(zhì)。

適用范圍廣：超濾的外壓式結構和專(zhuān)利的布水方式，容許更寬的進(jìn)水懸浮物含量，更適合于水質(zhì)較差的應用條件，并同時(shí)保證很高的水回收率。

運行費用低：超濾外壓式可采用低廉的氣水混合清洗方式，高效保持通量的長(cháng)期穩定，節約化學(xué)清洗劑消耗。

超濾的主要應用

超濾的應用主要涉及三方面：工業(yè)應用，食品生化，飲用水，下面分別進(jìn)行介紹。

超濾的工業(yè)應用可以分為三種類(lèi)型：（1）濃縮（2）小分子溶質(zhì)的分離（3）大分子溶質(zhì)的分級。

    絕大部分的工業(yè)應用屬于濃縮這個(gè)方面?？梢圆捎门c大分子結合或復合的辦法來(lái)分離小分手溶質(zhì)。游離鈣及蛋白質(zhì)結合鈣的分離是一個(gè)例子。小分子溶質(zhì)分離，例如除鹽及鹽交換，可以通過(guò)超濾來(lái)完成也可以通過(guò)超濾與透析相結合來(lái)完成?？梢圆捎镁哂胁煌肿恿壳懈钪档哪?lái)進(jìn)行大分子溶質(zhì)的分級，或者采用一種組合系統，由幾個(gè)超濾池組合，從一個(gè)超濾池出來(lái)的液體可以進(jìn)入下一個(gè)超濾池，每個(gè)池中的膜所切割的分子量值是逐步下降的。     

工業(yè)應用

·用超濾進(jìn)行電泳漆回收

·利用超濾進(jìn)行含油廢水的回收

·用超濾處理含重金屬廢水

·其他工業(yè)應用

1、超濾工業(yè)應用之一------用超濾進(jìn)行電泳漆回收　

    在金屬電泳涂漆過(guò)程中，帶電荷的金屬物件浸人一個(gè)裝有帶相反電荷的涂料池內。由于異電相吸，涂料便能在金屬表面形成一層均勻的涂層，金屬物件從池中撈出并水洗除去隨帶出的涂料。為達到保護環(huán)境，節能閉合循環(huán)的目的，可采用超濾過(guò)程將聚合物樹(shù)脂及顏料顆粒阻留下來(lái)，而允許無(wú)機鹽、水及溶劑穿過(guò)超濾膜出去。阻留下來(lái)的組分再回至電泳漆貯罐中去。濾液用于淋洗剛從電泳漆中取出的新上攘的制件，以回收制件夾帶的多余的漆。如下圖所示。

早在1968年美國PPG公司的專(zhuān)利就提出用超濾和反滲透的組合技術(shù)處理電泳漆廢水。目前，該項技術(shù)現己泛用于自動(dòng)化流水線(xiàn)上，已有幾百個(gè)膜面積大于 100m2的膜組件投人運行，其中主要為管式。由于池內溶液帶電荷，現已開(kāi)發(fā)出表面帶相同電荷的膜，因同性相斥而使該膜不易污染。膜滲透流率持續幾個(gè)月保持在1m/d以上而不用清洗，膜壽命一般在2年以上。

2、超濾工業(yè)應用之二－－利用超濾進(jìn)行含油廢水的回收

油水乳濁液在金屬機械加工過(guò)程中被廣泛用作工具和工件反復冷拔操作及金屬滾軋成形，切削操作的潤滑和冷卻，但因在使用過(guò)程中易混人金屬碎屑、菌體及清洗金屬加工表面的沖洗用水，導致其使用壽命非常短。單獨的均分子就其分子量而言小得可通過(guò)超濾膜，而對這些含油廢水超濾則能成功地分離出其油相，這是因為油水界面張力足夠使油滴不能透過(guò)已被水浸濕的膜，經(jīng)過(guò)超濾后滲透液中的油濃度通常低于10g/m3，已達排放標準可排人陰溝，而濃縮液中最終含油達 30%~60%可用來(lái)燃燒或它用。其操作流程如下圖所示。此外，堿清洗溶液浴常用于清洗油污狀或臟的金屬部件。借助于超濾也可用于處理這種清洗溶液以除去潤滑脂、油及臟粒子，并以濾液形式回收絕大部分的清洗劑。如下圖所示。

3、超濾工業(yè)應用之三----利用超濾處理含重金屬廢水

超濾工業(yè)應用之三----利用超濾處理含重金屬廢水

    膠束強化超濾(MEIJF)是最近發(fā)展起來(lái)的與表面活性劑技術(shù)相結合的一種超濾法。其原理如下圖所示。在工業(yè)廢水中注入濃度高于臨界膠束濃度的表面活性劑，其疏水端向內纏結，而帶負電的親水端排列在表面，因而使得該膠柬表面帶有負電荷。廢水中的金屬陽(yáng)離子由于靜電作用而吸附在上面，采用截留分子量小于膠束分子量的超濾膜，則可使金屬離子被截留。

　　將表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)加入模擬廢水中分別分離Cd2+、Zn2+、Cd+及Ca2+四種離子，截留率均在96%以上，膜滲透流率與純水相同，說(shuō)明MEUF的工業(yè)應用是有可能的。也有研究人員采用天然的脫氧膽酸及卵磷脂作為表面活性劑，結果表明其對Ca2+、Pb2+、Cu2+、Ni2+、 Zn2+的分離效果比SDS更好，截留率在99.9%以上。由于MEUF中表面活性劑濃度必須高于臨界膠束濃度才能形成膠束，故MEUF不能用于低濃度金屬離子的分離。

    采用即使很少量也不會(huì )解聚的聚電解質(zhì)竣甲基纖維素(CMC)和聚苯乙烯磺酸納(PSS)代替表面活性劑加入廢水中，聚電解質(zhì)即發(fā)生解離，反離子 (Na+)進(jìn)人水中，聚合物帶負電，廢水中的Cu2+等重金屬離子與聚合物結合，用截留分子量小于該聚合物的超濾膜便能將廢水中的Cu2+截留下來(lái)。這一改進(jìn)的MEUF被稱(chēng)為聚電解質(zhì)強化超濾(PEIJF)，用該技術(shù)可使廢水中的Cu2+濃度由100×10-6降至1×10-6。

有一種利用離子的排斥效應進(jìn)行分離的超濾過(guò)程稱(chēng)之為IEIJF(Ion-Expulsion Ultrafiltration)。眾所周知，膠束在水中結合了少于化學(xué)計量數的反離子因而它帶有電荷，而該電荷數在一個(gè)相當大的離子濃度范圍內都接近于常數，IEUF便是利用膠束的這一特性分離與它帶有相同電荷的離子，下圖為IEUF過(guò)程示意圖。根據Donnan平衡原理，當溶液中解離的陰、陽(yáng)離子在膜兩側的滲透液和濃縮液中處于平衡狀態(tài)時(shí)，其離子活度積相等，因而可計算出每一種離子的濃度。計算結果表明，當達到平衡時(shí)Cr042-在滲透液中可濃縮 21.5倍。

超濾的其他工業(yè)應用

超濾的其他工業(yè)應用：

（1）超濾應用在高純水的制備中

    許多工業(yè)用水要求非常嚴格，特別是電子工業(yè)中，許多地方都要使用高純水，這對保證產(chǎn)品質(zhì)量起著(zhù)重要的作用。例如在集成電路半導體器件的切片、研磨、外延、擴散和蒸發(fā)等工藝過(guò)程中，要反復用高純水清洗，集成電路在很小面積內，有許多電路相鄰元件之間只有0.002mm左右的距離，因此清洗用水要求很?chē)栏?。一般要求無(wú)離子、無(wú)可溶性有機物、無(wú)菌體和無(wú)大于0.5μm的粒子。每個(gè)集成電路廠(chǎng)，都有一個(gè)制造高純水的中心系統，然后通過(guò)分配系統，輸送到使用點(diǎn)。凈化流程如下：

自來(lái)水→預過(guò)濾→超濾（或微濾）→反滲透→陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂混合床→超濾→分配系統微濾→使用點(diǎn)微濾→使用

    超濾在高純水制備過(guò)程中主要用于去除膠體、微粒、細菌。用于高純水制備的超濾組件多為中空纖維式，膜滲透流率高達2~4m/d。

（2）含淀粉及酶的廢水處理。

    某些食品加工業(yè)中，例如土豆加工，其廢水含有低濃度淀粉，釀造工業(yè)排放物中含有酶等。超濾可用于回收淀粉及酶，并得出可允許排放的廢水。

（3）紡織工業(yè)脫漿水的處理。

    上漿材料例如淀粉及水溶性聚合物（聚乙烯醇）經(jīng)常用于紡織過(guò)程以利該過(guò)程的進(jìn)行。將織好的布進(jìn)行洗滌以除去漿料，這樣就得出含上漿材料的稀溶液。超濾可用于回收這種上漿材料以重復使用，并得出質(zhì)量好的水濾液，它可以排放或重復使用。

（4）乳液濃縮。

    在合成橡膠制造與應用中，容器、反應器等的洗滌水中含有稀乳液溶液，采用超濾過(guò)程對此進(jìn)行濃縮是成功的。

（5）沖洗羊毛的排放液的處理。

    這種排放液中含有被洗滌劑乳化的羊毛脂型的油脂，它可以采用超濾方法脫水（常常與離心操作相結合）。

（6）紙漿工廠(chǎng)排放液的處理。

    這種排放液中含有高分子量的木質(zhì)素磺酸鹽，可以采用超濾方法進(jìn)行分離并濃縮。

（7）在中藥制劑工藝中的應用。

目前，我國衛生部已將膜分離技術(shù)列入中藥的分離精制方法之一。超濾技術(shù)主要用于制備中藥注射液（如復方丹參注射液，茵槌黃注射液，五昧消毒飲注射液等)，提取有效成分（如從黃苓中提取黃苓試）和制備藥浸膏等方面。超濾法單獨或與活性炭、反滲透相結合還用以有效地除去細菌和熱原；制取中藥口服液（人參精口服液，海龍哈階四精口服液)，醫藥用純水制備，保健飲料。

超濾之食品生化應用

超濾之食品生化應用-------用超濾處理乳品

　　乳品工業(yè)奶醋生產(chǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生大量的乳清，據統計，僅美國每年就有2500萬(wàn)m3乳清產(chǎn)生，因而該領(lǐng)域成為超濾應用的最大領(lǐng)域。如下圖所示，通過(guò)超濾，可得到含蛋白質(zhì)10%的濃縮液，若將其通過(guò)噴霧干燥，可得到含蛋白質(zhì)65%的乳清粉，在面包食品中可代替脫脂奶粉。若將其進(jìn)一步脫鹽，則可得到蛋白質(zhì)含量高于80%的產(chǎn)品，可用于嬰兒食品。而含乳糖的滲透液經(jīng)濃縮干燥后可用作動(dòng)物飼料。

超濾過(guò)程處理乳清

　　在乳清超濾中各種不同形式的組件均被采用，其中最大者含膜面積1800m2，乳清日處理量為1000m3。通常在50℃下操作。膜滲透流率最初大于 1m/d，當乳清濃縮10倍后其粘度大于0.002Pas(0.02P)、膜滲透流率降至0.5m/d，因而其濃縮極限在很大程度上決定于膜污染和乳清濃縮液粘度的增加。超濾應用于食品工業(yè)最重要問(wèn)題是每日的清洗和滅菌。一般先堿洗，然后酸洗，最后用次氯酸鈉溶液滅菌。膜壽命可達1年以上。

　　一種新的奶酪生產(chǎn)工藝是先將脫脂牛奶用超濾濃縮3~4倍，然后再將其濃縮液用于發(fā)酵生產(chǎn)奶醋，參見(jiàn)下圖，以其極大的優(yōu)越性正被逐漸推廣。因為用處理過(guò)的濃縮液生產(chǎn)奶酶，其得率可提高20%以上，據保守估計可節約6%的牛奶；此外因乳糖從牛奶中被除去而使奶醋味道更加鮮美，最后還減少了乳清的處理量。

帶超濾的奶酶生產(chǎn)新工藝

超濾之食品生化應用------用超濾進(jìn)行果汁澄清

　　從蘋(píng)果中榨取的新鮮果汁，由于含有果膠等化合物而呈現混濁狀。傳統方法采用酶、皂土和明膠使其沉淀，然后取上清液過(guò)濾而獲得澄清的果汁[參見(jiàn)下圖 (a)傳統工藝]。通過(guò)超濾或微濾來(lái)澄清果汁，只需先部分脫除果膠，可減少酶的用量，省去皂土和明膠，節約了原材料，并且省工省時(shí)[參見(jiàn)下圖(b)超濾新工藝]。同時(shí)果汁回收率也有所提高，達98%~99%。此外，經(jīng)超濾處理的果汁質(zhì)量也有所提高，濁度僅0.4~0.6NTU(傳統工藝為1.5~3.0 NTU)。又因超濾可元熱除去果汁中的菌體，因而可延長(cháng)果汁的保質(zhì)期。

超濾之食品生化應用----用超濾進(jìn)行血清白蛋白的提取

　　從血漿中分離血清白蛋白包括一系列復雜的過(guò)程。如下圖所示，將已經(jīng)處理的含3%白蛋白、20%乙醇和其他小分子物質(zhì)的組分使用截留分子量30000的超濾膜通過(guò)三步法將白蛋白從乙醇中分離出來(lái)。在第一、二步過(guò)程中，膜滲透流率為0.5~0.7m/d，最后一步時(shí)，降至0.1m/d以下。據最新報道[叫，采用截留分子量10000的氧化鋯金屬膜，其膜壽命更長(cháng)，能量更大。加之采用反沖和脈沖進(jìn)料可減少膜污染，第一、二步的滲透率可增加近1倍，且滲透液中白蛋白濃度更低，通常低于0.4g/L。

超濾之食品生化應用----用超濾進(jìn)行血清白蛋白的提取

從血漿中分離血清白蛋白包括一系列復雜的過(guò)程。如下圖所示，將已經(jīng)處理的含3%白蛋白、20%乙醇和其他小分子物質(zhì)的組分使用截留分子量30000的超濾膜通過(guò)三步法將白蛋白從乙醇中分離出來(lái)。在第一、二步過(guò)程中，膜滲透流率為0.5~0.7m/d，最后一步時(shí)，降至0.1m/d以下。據最新報道[叫，采用截留分子量10000的氧化鋯金屬膜，其膜壽命更長(cháng)，能量更大。加之采用反沖和脈沖進(jìn)料可減少膜污染，第一、二步的滲透率可增加近1倍，且滲透液中白蛋白濃度更低，通常低于0.4g/L。

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