超滤技术的应用及发展趋势

1、-超滤技术的应用及开展趋势摘要：本文初步论述了膜别离技术的种类，特点、工艺概况，介绍了超滤别离技术的研究现状及其原理，类型和根本过程，最后具体介绍了超滤技术在水处理方面的应用，展望了超滤技术的未来开展趋势。关键词：膜别离技术，超滤技术，水处理，开展趋势1. 膜别离技术概述膜别离技术是近 30 年来开展起来的一项高新技术，也是当前促进和保证社会持续开展的关键技术之一，已在能源、电子、化工、医药、食品、汽车、家电、环保等领域，发挥着其独特的重要作用1。用膜近万平方米的大型超滤退浆废水，处理厂，2400104t/d 的地表水微孔过滤净化工厂，每年救治几十万人生命的人工肾(透析器)已成为现代的重要医疗手段，膜法制取的矿泉水、纯洁水、优质饮用水等已进入千家万户，这些已充分了显示了膜别离技术的应用规模、水平和重要作用。1.1 膜别离过程的种类膜别离技术最重要的组成局部是膜。膜是具有选择性别离功能的材料。利用膜的选择性别离实现料液的不同组分的别离、纯化、浓缩的过程称作膜别离2。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子围进展别离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。利用膜的选择性孔径大小

2、，以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现别离的一种技术。多孔膜、溶液的微滤、悬浮物、细菌类、微粒子、大分微滤压力差水、溶剂和溶解物脱微粒子子有机物脱除溶液中的胶体、各溶剂、离子和小分蛋白质、各类酶、细菌、病毒、超滤压力差类大分子子胶体、微粒子反渗透和 脱除溶液中的盐类及无机盐、糖类、氨基酸、有机物压力差水和溶剂纳滤低分子物质等透析脱除溶液中的盐类及 浓度差离子、低分子物、无机盐、糖类、氨基酸、有机物-低分子物质酸、碱等电渗析脱除溶液中的离子电位差离子无机、有机离子渗透气化溶液中的低分子及溶压力差、浓蒸汽液体、无机盐、乙醇溶液剂间的别离度差气体别离 气体、气体与蒸汽别离浓度差易透过气体不易透过液体图中分别给出了按别离原理和按被别离物质的大小区分的别离膜种类，从中可以看出，除了透析膜主要用于医疗用途以外，几乎所有的别离膜技术均可应用于任何别离、提纯和浓缩领域3。反渗透和纳滤作为主要的水及其它液体别离膜之一，在别离膜领域占重要地位。1.2 膜别离技术特点膜是具有选择性别离功能的材料，利用膜的选择性别离实现料液的不同组分的别离、纯化、浓缩的过程称作膜别离4。

3、与传统的蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷别离等别离技术相比，膜别离具有以下特点：l 膜别离通常是一个高效的别离过程。l 膜别离过程的能耗功耗通常比拟低。l 多数膜别离过程的工作温度在室温附近，特别适用于对热敏物质的处理膜别离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很少需要维护，可靠度很高。它的操作十分简单，而且从开动到得到产品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作。l 膜别离过程的规模合处理能力可在很大围变化，而它的效率、设备简单单价、运行费用等都变化不大。l 膜别离由于别离效率高，通常设备的体积比拟小，占地较少。1.3 工艺优点1在常温下进展。有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的别离与浓缩。2无相态变化。保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的 1/3-1/8 。3无化学变化。典型的物理别离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。-4选择性好。可在分子级进展物质别离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能。5适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进展，工艺简单，操作方便，易于自动化6能耗低。只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸

4、发浓缩或冷冻浓缩的 1/3-1/8。2.超滤技术2.1 超滤技术概述超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在 0.05um 至 1nm 之间。超滤是一种能够将溶液进展净化、别离、浓缩的膜别离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜外表时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，到达溶液的净化、别离、浓缩的目的。主要用于别离溶液中的大分子、胶体和微粒，具有高效率、低能耗的别离特点。近年来随着膜材料及膜工艺的不断开展。超滤技术已成为污水处理中的一个重要的操作单元。对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量围在 1000300000，故超滤膜能对大分子有机物如蛋白质、细菌、胶体、悬浮固体等进展别离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的别离纯化、除热源。超滤是以静压差为推动力，根据颗粒物大小和相对分子质量的不同来进展别离的膜技术。超滤膜的孔径一般在 3-30nm，透过的物质分子量一般小于1000Da1，被截留的物质分子量在1000-300000 Dal之间。超滤技术的别

5、离机理主要是筛分作用，但有时在溶剂分子、溶质分子均小于其孔径的情况下，仍然具有明显的截留作用，说明膜外表的化学特性、膜外表的静电作用在超滤别离过程中占据着不可无视的地位。超滤技术从20 世纪 90 年代开场得到广泛的应用，是一项新型的高效别离技术，它具有工艺简单，经济效益高，不发生相变，别离系数较大，节能，高效，无二次污染，可在常温下连续操作等特点，在市政给水、制革废水、电镀废水、纺织印染废水、屠宰废水、食品废水的处理方面以及其他各工业领域和科学研究-中得到广泛的应用5。我国已经研究开发的超滤膜品种有醋酸纤维素 CA,聚丙烯睛PAN,聚矾PSF,聚醚矾PES,聚矾酞胺PSA,聚氯乙烯PVC,聚偏氟乙烯PVDF,磺化聚矾 SPSF 和聚醚酮 PEK 等，以及以瓷、氧化铝、多孔玻璃等为膜材料的无机超滤膜，应用研究前景广阔。2.2 超滤原理超滤目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中别离出来。别离时的推动力都是压强，由于被别离物质的分子量和直径大小差异及膜孔构造不同，其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达 10MPa。1超滤操作中的渗透压由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种

6、不同浓度的溶液隔开淡水或盐水，因此都存在渗透压。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。2实现超滤的条件超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；pp 操作压p0 渗透压patm 大气压反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。因此，超滤和反渗透通常又被称之为强制膜别离过程3超滤的根本方程J= L (Dp -sDp)(5.11a)vpJV ：溶剂的体积通量m3/m3sLp ：溶剂的透过系数单位时间、单位膜面积的处理量p :膜两侧的压差：膜两侧溶液的渗透压差：膜对溶质的反射系数 01 2.3 超滤膜的类型超滤膜是多孔的，但与微滤膜相比，其构造更具有不对称性，这种不对称膜包括-一个很薄的皮层(一般小于 lm)和一个多孔亚层。所以超滤膜的表征主要是皮层表征即厚度。孔径分布和外表孔隙率，超滤膜皮层典型的孔径在 2100nm 围。按制膜材料分类，超滤膜可分为有机膜和无机膜。按膜的外形特征可将

7、超滤膜分为：平板膜；管式超滤膜，径l0nm；毛细管式超滤膜，径 0.501000nm；中空纤维超滤膜，径05nm；多孔超2.4 超滤技术根本过程超滤是以静压差为推动力，根据颗粒物大小和相对分子质量的不同来进展别离的膜技术。超滤膜的孔径一般在 3-30nm，透过的物质分子量一般小于 1000Da1，被截留的物质分子量在 1000-300000 Dal 之间。超滤技术的别离机理主要是筛分作用，但有时在溶剂分子、溶质分子均小于其孔径的情况下，仍然具有明显的截留作用，说明膜外表的化学特性、膜外表的静电作用在超滤别离过程中占据着不可无视的地位6。超滤过程本质是一种机械筛分的过程，膜的清水侧水质根本保持稳定，浓水侧的溶质和颗粒物等杂质不断累积7。超滤的运行过程示意图如图 1-1 所示，可以分为 5 个阶段，分别为过滤开场、污染物浓缩、孔堵塞和滤饼层形成、反冲洗和排污。-图中，中间的阴影局部表示超滤膜，膜的下侧为浓水，上侧为清水，图中的小黑点表示粒径小于膜孔径的颗粒，圆圈表示无法通过膜的较大颗粒。在运行初期，小颗粒物质可以顺利通过膜孔，进入清水侧，这局部主要是小分子有机物、包括氨氮在的大局部可溶性无

8、机物。较大颗粒物质则被截留，这局部物质主要包括泥沙、藻类、胶体颗粒、局部有机物、细菌、病毒等微生物。随着超滤的继续进展，被截留的物质浓度逐渐增高，并且有一局部吸附在膜外表和膜孔中，前者形成多孔疏松构造的滤饼层，滤饼层随时间延长会在压力下逐渐形成构造严密的凝胶层，凝胶层对局部小分子有机物有一定的吸附作用。后者会造成膜孔吸附污染和孔堵塞，从而使膜通量降低，跨膜压差增高。通过反冲洗阶段，滤饼层可被根本去除，如果同时加以曝气，产生的气泡切割水面产生剪切力可以提高去除效果，此时的浓水侧包含了清洗下来的大颗粒凝聚成的胶体团。反冲洗后，浓水侧的污染物含量浓度升高，会加速滤饼层的形成，因此，在一次或数次反冲洗后进展排污，即排干净浓水，并注入新的原水，可以有效的减缓膜污染。3 超滤技术在水处理领域中的应用虽然超滤可以有很多的应用领域，但大规模的水处理通常集中在以下方面：饮用水供水终端、地表水处理、海水处理、流体的回用。3.1 饮用水处理由于对饮用水的质量要求越来越严格，水处理公司投入越来越大的精力来控制供水管网中存在的微生物的量。为了做到这一点，因此一种方法是进展昂贵、频繁的水质检验，或者在供水终端设置防止细菌和病毒进入的屏障。采用 UF 系统，可以非常方便的建成这样的屏障。超滤膜对细菌的去除率可以到达 6log，对于病毒的去除率到达 4log，因此水厂和用水者都不必在担忧细菌和病毒的问题。由于饮用水的质量本身就很高(浊度和悬浮固体都非常低)，因此此时的膜系统可以可以采用很高的膜通量，可以到达 135 升/平米.小时8。同时较高的入水条件，因此反冲频率和化学加强反洗的频率都可以非常低， 产水量可以到达 99%。如果需要还可以设立二级超滤系统，将第一级的反洗水进一步回用。3.2 地表水处理-UF 系统非常多的应用在地表水处理上，处理后的水用于灌溉或作为反渗透的入水，来制备工业用水。在荷兰，出现了越来越多的这类工厂。这种技术提供了一种新型的工业用水的方式，即不必在购置越来越贵的饮用水，而是就近取用地表水处理后使用。3.3 海水淡化中

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