超滤与微滤

膜技术的应用——超滤与微滤11.1超滤技术简介1.2原理1.3构造与组成1.4应用超滤1.1超滤技术简介定义超滤是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，它介于纳滤和微滤之间，膜孔范围在1nm-0.05um.1.1超滤技术简介特点1.在常温和低压下进行分离。2.设备体积小、结构简单。3.工艺流程简单，易于操作管理。4.超滤膜是由高分子材料制成的均匀连续体，纯物理方法过滤，物质在分离过程中不发生质的变化，并且在使用过程中不会有任何杂质脱落，保证超滤液的纯净。1.1超滤技术简介发展1861年Schmidt首次公布了牛心胞薄膜截留可溶性阿拉伯胶的实验结果；1867年，Traube制成第一次人工膜；1907年开始使用“超滤”这一术语；20世纪70年代，超滤从实验规模进入工业化应用；我国从20世纪70年代开始研究，随后进入快速发展阶段。目前UF正向组建大型化、高效化发展，用UF代替传统的砂滤、活性炭、微滤是今后水处理工艺的一个新的发展趋势。1.2超滤技术原理理想的超滤膜分离是筛分过程，在压力推动下，进料液中的溶剂和小分子溶质透过膜进入滤液侧，溶液中的大分子物质、胶体、蛋白质等被超滤膜截留浓缩。1.2超滤技术原理超滤过程的传质模型筛子模型wgmpJRR1bswpcJJc溶剂的渗透通量：溶质的渗透通量：水的渗透通量：细孔模型22224816119211pwsFpssFpprJPrSrrrSrr1.2超滤技术原理超滤的浓差极化现象减轻差极化的方法超滤的浓差极化现象回收率的控制（单个组件15%,整机50％）流动型态和流程的控制（压降控制在3.92－4.9MPa）填料法搅拌法扩大扩散系数法1.2超滤技术原理设置湍流促进器脉冲法1.2超滤技术原理影响超滤渗透通量的因素及控制方法影响因素：操作压差料液浓度料液流速温度截留液浓度操作时间控制方法选择合适的膜材料料液的预处理膜的清洗1.3超滤构造与组成主要设备超滤操作的基本设备包括预处理过滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是超滤操作的主体设备。膜组件板式管式螺旋卷式中空纤维式超滤的主要设备1.3超滤构造与组成平板式膜组件1.3超滤构造与组成卷式膜组件1.3超滤构造与组成中空纤维式膜组件1.3超滤构造与组成超滤流程间歇错流截留液全循环截留液部分循环1.3超滤构造与组成超滤流程连续错流单段连续操作多段连续操作1.3超滤构造与组成超滤膜材料1.超滤膜按形态结构可分两类：对称膜和非对称膜2.超滤膜的分离特性：透过通量（速度）和截留率（分离效果）3.超滤膜的材料：1）有机高分子材料（纤维素衍生物、聚砜类、乙烯类聚合物、含氟类聚合物）2）无机材料（多孔金属、多孔陶瓷、分子筛）1.3超滤构造与组成超滤膜制备有机高分子超滤膜采用相转化法、拉伸法、复合膜法、烧结法、核径迹法等无机超滤膜采用固体粒子烧结法、溶胶凝胶法、阳极氧化法、动态膜法、薄膜沉积法、水热法等；1.3超滤构造与组成超滤膜污染控制1.膜污染的定义:指处理物料中的微粒，胶体粒子或溶质大分子，由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化。2.造成膜污染的主要原因：a.料液性质b.膜及膜组件性质c.操作条件1.3超滤构造与组成超滤膜污染控制1、膜的压差较低时，膜自身的机械阻力和膜污染阻力占主导地位，应尽量减少膜污染阻力来提高膜的运行水平①膜材料：与溶质电荷相同的强亲水和强疏水性膜较耐污染；②膜孔径：一般选孔径比被截留粒子尺寸小一个数量级的膜；③溶液pH值：一般把它调至远离等电点，可减少污染；④盐：自身沉积或改变蛋白质性质而产生膜污染；⑤温度：适宜的料液温度会减少膜的污染。1.3超滤构造与组成超滤膜污染控制2、膜的压差较高时，浓差极化产生的阻力占主导地位，此时应着重减少浓差极化阻力，其措施主要是：①增大料液流速；②升高料液温度；③选择合适的膜组件结构3、膜压差很高时，凝胶层阻力占主导地位，凝胶层是由浓差极化造成的，所以防止凝胶层的形成应尽量控制浓差极化。1.3超滤构造与组成超滤膜清洗在实际膜分离技术应用中，尽管选择了较合适的膜和适宜的操作条件下，在长期运行中，过滤通量随运行时间的增加必然产生下降现象，即膜污染问题必然发生，此时需要采取一定的清洗方法，使膜面或膜孔内污染物去除，从而达到过滤通量恢复，延长膜寿命的目的。1.影响膜清洗的因素：膜的化学特性和污染物特性2.膜的清洗方法物理方法：水力方法和气液脉冲法化学方法：物理清洗——清洗剂扩散到污垢表层——渗透扩散进污垢层——清洗反应——清洗反应产物转移至清洗剂体系1.3超滤构造与组成超滤膜清洗3.常见的化学清洗剂酸碱液表面活性剂氧化剂酶4.清洗效果评价通常用纯水透水率恢复系数r来表示清洗效果：r=J/J0*100%J为清洗后膜的通量，J0为膜清洗前的初始通量1.4超滤应用应用领域1、工业废水处理2、食品工业中的应用3、高纯水制备中的应用4、生物制药领域的应用1.4超滤应用MBR处理污水工艺流程生活污水与工业废水处理1.4超滤应用超滤在除盐中作反渗透（RO）的预处理反渗透装置前设超滤装置，可使反渗透装置的运行安全、可靠，反渗透膜可少受胶体物质的污染，可提高反渗透膜的透水率，延长反渗透膜的寿命。1.4超滤应用超滤在饮用水处理中的应用22.1微滤技术简介2.2原理2.3构造与组成2.4应用微滤2.1微滤技术简介定义微滤是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，膜孔范围在0.05um-20um.1.1超滤技术简介发展19世纪中叶开始出现微滤膜技术；20世纪初开始对该技术进行系统研究；20世纪60年代开始进入飞跃发展阶段；我国对该项技术的研究始于20世纪五、六十年代，80年代初期开始起步并得到快速发展。2.2微滤技术原理微滤的分离机理是筛分机理，膜的物理结构起决定性作用。此外，吸附和电性能对截留也有影响。微滤膜的截留分表面层截留和内部截留两种：表面层截留：机械截留作用、物理作用或吸附截留作用、架桥作用膜内部截留：膜的网络内部截留作用，是指将微粒截留在内部而不是在膜的表面2.2微滤技术原理超滤与微滤的区别1.微滤最适合液体介质的降浊、除菌处理，而超滤主要可用于对低分子溶解物与有机大分子的分离。2.微滤膜一般指孔径在0.02-1µm，高度均匀，具有筛网特征的多孔固体连续相，而超滤的孔径为0.002-0.2µm，在进行分离时的压力也分别为0.01-0.3Mpa和0.2-1.0Mpa。3.微滤膜透过物质主要是水、溶液和溶解物。被截留物质主要是悬浮物、细菌类、微粒子。超滤膜透过物质主要是水、溶剂、离子和小分子，被截留物质主要是蛋白质、各类酶、细菌、病毒、乳胶、微粒子、过滤精度为10-4cm~10-7cm；利用超滤膜不同孔径对液体进行分离，其分子切割量（CWCO）一般为6000~50万，孔径为100nm。2.3微滤结构与组成无流动操作（静态过滤或死端过滤）错流操作（动态过滤）微滤操作模式2.3微滤结构与组成2.3微滤结构与组成2.3微滤结构与组成2.3微滤结构与组成微滤膜的分类：按形态结构可分两类对称膜和非对称膜按材料可分两类有机膜和无机膜微滤膜的结构：具有毛细管状孔结构的筛网型微孔滤膜具有曲孔的深度型微孔滤膜微滤膜分类2.3微滤结构与组成微滤膜特点①微滤主要以筛分机理截留粒子而分离，所有比膜孔径大的粒子全部截留，其他深层过滤介质达不到绝对截留的要求②孔径分部均匀，过滤精度高，可靠性强③孔隙率高，过滤速度快④微滤膜整体性强，不脱落，不对物料产生二次污染，且膜层薄，对物料吸附少，减少损失⑤与其它深层过滤方法结合使用，可延长微滤膜使用寿命。2.3微滤结构与组成微滤膜材料对于微滤膜，选择膜材料时材料的加工要求、耐污染能力和其化学及热稳定性等是主要的考虑因素2.3微滤结构与组成微滤膜制备微滤膜的制备包括烧结法、拉伸法、相转化法、径迹蚀刻法和溶胶凝胶法等2.3微滤结构与组成微滤膜污染控制微滤膜的污染与过滤阻力主要是来自于被截留的溶质或颗粒在膜的表面形成的浓差极化和滤饼层阻力及颗粒在膜微孔中的吸附和堵塞。减少膜污染的措施——1.料液的预处理：絮凝沉淀、多介质机械过滤、热处理、调pH值、加配位剂（EDTA等）、氯化、活性炭吸附、化学处理、精密过滤等。2.膜的运行方式：死端过滤膜通量减小快，一般应选用错流过滤的运行方式。3.膜组件和系统的设计：通过提高传质系数（如高流速等）和使用较低通量的膜可以减少浓差极化，采用端流强化器也可以减少膜的污染。4.电场作用：通过电场作用促进膜表面聚集的带电微粒向料流主体迁移，从而增加其传质系数，也可减少膜的污染。2.3微滤结构与组成微滤膜清洗物理清洗包括水力学反冲洗和气体反冲洗。化学清洗包括酸碱液、表面活性剂、氧化剂、酶、配合剂等。清洗剂既可单独使用，也可以组合形式使用。2.4微滤应用a.水处理行业：水中悬浮物，微小粒子和细菌的去除；b.电子工业：半导体工业超纯水、集成电路清洗用水终端处理；c.制药行业：医用纯水除菌、除热原，药物除菌；d.食品工业：酒、饮料中酵母和霉菌的去除，果汁的澄清过滤；e.化学工业：各种化学品的过滤澄清。应用领域2.4微滤应用MF与UF的联合运用1.微滤、超滤用于反渗透的预处理，可以取代传统的加次氯酸钠杀菌、凝聚、澄清、过滤。微滤一般采用0.2µm或0.1µm的微孔滤膜，因此可以防止反渗透膜的胶体污堵，同时0.2µm孔隙的微滤膜也能将细菌基本上全部滤除。2.连续微滤（CMF）与传统的杀菌凝聚澄清过滤比较，在技术上有很大的优越性如设备占地面积小，运行自动化水平高，自用水率低，出水SDI值低且稳定，可以适当提高反渗透膜通量而减少膜元件用量。THEEND!THANKYOU!