微滤

微滤董声雄静压差膜分离微滤（MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)分离类似于过滤，用以分离悬浮微粒或含溶解的溶质的液体。1)微滤2)超滤3)纳滤4）反渗透压力驱动膜(PDM)原理图水分子反渗透，0.1nm-1nm盐，金属离子，矿物质纳滤，0.5nm-5nm糖，染料，表面活性剂，矿物质超滤，5nm-50nm乳化油，颜料，胶体微滤，0.1-10um细菌，悬浮物微滤(MF)技术1.微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，过滤粒径在0.025～10μm之间，操作压在0.01～0.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。1微滤(MF)——微孔膜的缺点①颗粒容量较小，易被堵塞；②使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。微滤膜的性能•(1)物理机械性能：厚度一般90-170μm，以精密测厚计测定。弹性模量（断裂伸长）是用一定大小的试样在材料试验机上进行。各向同性是以染料吸留试验判断。•(2)通量和堵塞：•微孔膜的通量测定一般是在一定真空度下（如700mmHg下）以纯水为透过介质进行的（如下图所示），堵塞是以通量下降速率来表示如下图所示：真空计抽真空过滤漏斗膜刻度漏斗阀1阀2抽滤瓶255075100100200300400渗透速率(ml/cm2.h)过滤水量(ml)图4-18美国Millipore公司两种膜通量性能标称孔径(μm)泡点压力(kg/cm2)平均孔径(μm)通量[ml/cm2.min]0.224.60.23112.80.453.00.43643.0•(3)化学相容性：由于膜所处理的物料是各种各样的，故对膜的化学相容性就有一定的要求，即膜不应被所处理的物料溶胀，溶解和发生其他化学反应，也不应对被处理的物料产生不良的影响。这方面主要取决于膜材料。•(4)细菌截留：基本的方法是用要试验的膜过滤某一种类的细菌，培养滤过液，若滤过液不变浊（无菌），则可证明该膜对这种细菌是可截留的。也可显微镜观测滤前和滤后细菌数目的变化。•(5)可萃取物和灰分：可萃取物的测定是将膜样品放在沸水中煮沸一定的时间，看前后重量之变化，分析水中的成分可知主要的可萃取物。•灰分在化学分析膜上截留的物质中是十分重要的，一定要先知道膜的灰分含量做为本底，以从测定中扣除这一本底。•(6)毒性：这对医疗应用尤为重要，一般是将120cm2的膜剪成碎片于20ml生理盐水中，于70℃萃取一定时间，之后按50mg/kg的量注入小白鼠体内进行对照试验。微滤(MF)膜材料•微滤主要以筛孔机理进行分离，没有特殊选择标准，大多数聚合物都可用来制备这类膜。主要据原料来源，价格，制膜难易，强度，化学稳定性，耐热性和毒性等，结合具体分离的对象、介质和各种要求来进行选择。荷电材料和亲和材料也是优先考虑的。无机膜材料近年来兴起很快。•相对于聚合物材料，无机膜材料有其显著的三大特点，热稳定性、化学稳定性和机械强度。即可据实际需求选择所要的无机膜材料：玻璃、金属、陶瓷、炭和沸石及其他廉价无机物等。部分无机材料的熔点材料熔点℃材料熔点℃Pd不锈钢NiC沸石155010001455耐热800℃以上耐热500℃以上Al2O3ZrO2TiO2SiC高硅玻璃石英玻璃20502770160525001510（软化）1650（软化）无机材料的化学稳定性也很突出，通常适用于任何pH范围和有机溶剂，也不会产生微生物引起的生化降解等。如C，除强氧化剂（王水、浓H2SO4、浓HNO3、Cr2O2-7、MnO4-），对其他试剂都是稳定的。无机材料大多硬而脆，可承受高压和自支撑。微滤(MF)膜的制备技术l烧结法（只能制备微滤膜）l拉伸法（只能制备微滤膜）l径迹蚀刻法（只能制备微滤膜）l相转化法（制备高分子微滤膜和超滤膜）l溶胶-凝胶法（制备无机膜）l阳极氧化法（制备金属微孔膜）微滤(MF)膜的制备技术•烧结法在多孔陶瓷支撑体上，以浸浆法将粒子均匀地分散到多孔支撑体一定厚度的沉积层，之后在高温下烧结，使粒子之间相互接着而成为陶瓷微孔膜。微滤(MF)膜的制备技术•拉伸成孔法：最典型的是美国CelansesResearchCompany的Celgard聚丙烯微孔膜，孔形为沿拉伸方向的细长孔，0.1-0.5μ长，0.01-0.05μ宽。基本制法是在相对低的熔融温度和高应力下挤出膜或纤维（收集速度大于挤出速度）。聚丙烯分子则沿拉伸方向排列成微区，成核，形成垂直于拉伸方向的链折迭微晶片，之后在略低于熔点温度下，热处理并拉伸，链段可运动，结晶增长变硬，在结晶的表面上高分子链折迭而不熔化在一起，最后成所需的膜。•另一种广泛应用的强疏水的聚四氟乙烯微孔膜，基本上用上述相似的方法制备；聚乙烯微孔膜也可如此制备；除单向拉伸外，还有双向拉伸法，双向拉伸膜的孔形接近于圆形。微滤(MF)膜的制备技术•径迹蚀刻法：首先用一定能量的带电粒子轰击聚碳酸酯或聚酯等材料的薄膜，在这轰击的“径迹”周围产生一损伤区，然后用一定浓度的化学刻蚀剂于一定温度下刻蚀合适的时间，这时损伤区的成分被溶掉而形成孔。该膜的特点是孔径相当均匀，呈圆柱形，且基本上与膜面垂直。微孔过滤技术应用领域（1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。（2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。（3）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点比较分离技术类型反渗透超滤微孔过滤膜的形式表面致密的非对称膜、复合膜等非对称膜，表面有微孔微孔膜膜材料纤维素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纤维素、聚氯乙烯(PVC)等操作压力/MPa2～1000.1～0.50.01～0.2分离的物质分子量小于500Da的小分子物质分子量大于500Da的大分子和细小胶体微粒0.1～10μm的粒子分离机理非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用筛分，膜的物化性能对分离起一定作用筛分，膜的物理结构对分离起决定作用水的渗透通量/(m3.m-2.d-1)0.1～2.50.5～520～200膜污染定义由于与膜存在物化作用或机械作用，进料中的微粒、胶体或溶质在膜表面或孔内发生吸附、凝聚和沉积，使膜孔径变窄或堵塞，其透过通量和分离性能也有不可逆的变化，这一现象谓之膜污染。膜污染的影响因素1．膜的物化性质•1)膜的亲水性和表面张力亲水性好的膜，膜表面与水成氢键，不疏水溶质接近膜表面时，要打破这一氢键结合，这需能量，膜耐污染；而疏水膜表面无氢键形成，疏水溶质接近膜表面时，挤开水是一熵增大过程，易进行，则膜易被污染。•2)膜的荷电性荷电膜处理同离子溶质的料液，由于荷电排斥，也不易污染。膜污染的影响因素2．膜的结构•对称结构的膜耐污染不如相同孔径的不对称膜；•两面双皮层的膜耐污染不如相同孔径的单皮层的膜；•膜孔径分布窄（截留分子量窄）的膜耐污染性好；•表面光滑的膜耐污染性好。膜污染的影响因素3．进料的组成和性质•进料会与膜有相互作用：•静电作用：膜表面电荷与溶液中荷电介质相同时，相互排斥，膜不易被污染；反之则易被污染；•范氏压力：溶质和膜亲水，则之间吸引力弱，溶质不易污染膜；其他：进料浓度，温度，pH，离子强度，溶质分子大小和形状等。膜污染的控制据影响污染的因素，相应的控制污染的方法如下：•膜材料的选择、注意材料的亲水性和荷电性等；•选择合适结构的膜，包括膜的对称性，皮层结构，孔径大小及其分布，膜表面粗糙度等；•选择合适的膜组件，合适的操作参数（如压力，流速，回收率等）；•选择合适的进料的浓度，pH，温度，离子强度等。膜的清洗1膜清洗必要性和注意事项•必要性：消除污染物，使水通量恢复，使膜寿命延长，能耗降低等。•注意事项：•1)膜的物化特性，如耐温，耐酸、碱，耐氧化性等；•2)污染物特性，如种类，可溶解性，可氧化性，可酶解性等。膜的清洗2膜清洗方法和效果•物理法：主要有高流速水冲洗，气水反冲洗，海绵球机械清洗，抽吸清洗，电脉冲清洗等。•化学法：主要有酸、碱、表面活性剂、络合剂、杀菌剂、酶、氧化剂和其他添加剂等。•清洗效果：通量恢复，流程压差降减少等。参考文献胡振华编著，反渗透水处理技术，国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心，杭州，1998MarcelMulder著，李琳译，膜技术基本原理，清华大学出版社，1999，北京刘忠洲，续曙光，李继定，微滤、超滤过程中的膜污染与清洗，第二届全国膜和膜过程学术报告会论文集，1996，杭州Portor.M.C.(ed),HandbookofIndustrialMembraneTechnology,NogesPublicationsParkridge,1990W.S.WinstoHo&KamaleshK.Sirkared.,MembraneHanldook,VanNostranReinhoeed,NewYork,1992朱长乐，刘末娥，陈欢林，超滤过程的膜污染和浓差极化，第一届全国膜和膜过程学术报告会，1991，大连