二、超滤技术

（一）超滤分离原理及特点

1.超滤分离的原理

超滤是以压差为推动力、用固体多孔膜截留混合物中的微粒和大分子溶质而使溶剂透过膜孔的分离操作。超滤的操作原理如图2-5所示。

超滤的机理是指由膜表面机械筛分、膜孔阻滞和膜表面及膜孔吸附的综合效应，以筛滤为主。超滤（简称UF）对溶质的截留被认为主要是机械筛分作用。即超滤膜有一定大小和形状的孔，在压力的作用下，溶剂和小分子的溶质透过膜，而大分子的溶质被膜截留。超滤膜的孔径范围为0.01～0.1μm，可截留水中的微粒、胶体、细菌、大分子的有机物和部分的病毒，但无法截留无机离子和小分子的物质。

超滤目的是将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。

2.超滤技术的特点

超滤技术具有以下特点。

①过程是在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。

②物质不发生相变化，无需加热，能耗低，无需添加化学试剂，无污染，是一种节能环保的分离技术。

③分离效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩均非常有效。

④由于超滤过程仅采用压力作为膜分离的动力，因此分离装置简单、流程短、操作简便、易于控制和维护。

⑤超滤法也有一定的局限性，它不能直接得到干粉制剂。对于蛋白质溶液，一般只能得到10%～50%的浓度。

⑥超滤与传统的预处理工艺相比，系统简单、操作方便、占地小、投资省、且水质极优，可满足各类反渗透装置的进水要求。

（二）超滤膜的结构、组件及种类

1.超滤膜的结构

超滤膜大体上可分为两种：一种是各向同性膜，常用于超滤技术的微孔薄膜，它具有无数微孔贯通整个膜层，微孔数量与直径在膜层各处基本相同，正反面都具有相同的效应；另一种是各向异性膜，它是由一层极薄的表面“皮层”和一层较厚的起支撑作用的“海绵层”组成的薄膜，也称为非对称膜。

前一种滤膜透过滤液的流量小，后者则较大且不易被堵塞。

2.膜组件及种类

膜组件是指将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等通过一定的黏合或组装构成基本单元，在外界压力的作用下实现对杂质和水的分离。如前所述超滤膜组件有板框式、管式、卷式和中空纤维式4种类型。

（三）超滤膜分离过程

1.超滤的操作方式

超滤有两种过滤模式，即终端过滤和错流过滤。

终端过滤为待处理的水在压力的作用下全部透过膜，水中的微粒被膜截留。由于截留的杂质全部沉积在膜表面，因此终端过滤的通量下降较快，膜容易堵塞，需周期性地反冲洗以恢复通量。

错流过滤是在过滤过程中，部分水透过膜，而一部分水沿膜面平行流动。错流过滤中，由于平行膜面流动的水不断将沉积在膜面的杂质带走，通量下降缓慢，但由于一部分能量消耗在水的循环上，错流过滤的能量消耗较终端过滤大。

2.超滤膜污染及其控制

膜污染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。此时，根据体系的不同，膜的渗透流率的衰退过程可能是一步完成的，也可能是几步完成的。

（1）引起膜污染的主要因素　导致膜污染的因素很多，因膜所应用体系的不同而不同。主要的因素如下。

①膜的物理化学结构，如膜孔结构、表面粗糙度、膜材料的亲水性、荷电性等。

②溶质性能。

③膜材料、溶质和溶剂之间的相互作用。

④操作参数，如温度、压力和料液流速。

污染物的种类包括无机物（如CaSO4、CaCO3、铁盐或凝胶、磷酸钙复合物、无机胶体等）和有机物（如蛋白质、脂肪、糖类化合物、微生物、有机胶体及凝胶、腐殖酸、多羟基芳香化合物等）。

（2）膜污染的控制及恢复通量的方法　针对膜污染产生的原因，采用合适的方法可以很好地控制膜的污染，恢复膜的通量，常用的方法如下。

①膜材料及膜组件的选择　根据溶质性质不同选择合适的膜及膜组件。一般来讲孔径分布窄、亲水性强且表面光滑的膜以及采用不同形式的湍流促进器的膜组件具有较好的抗污染性。

②料液预处理　为了减少污染首先要确定适当的预处理方法。一般在超滤组件前均装有精度为5～10μm的过滤器，以去除固体悬浮物及铁铝等胶体。对于含蛋白质料液应调节pH值，避免等电点。

为了使超滤组件长期运行，可以采用其他物理和化学的方法对料液进行预处理，如絮凝沉淀、机械过滤、离心分离、软化、热处理、杀菌消毒、活性炭吸附、化学净化和微滤等。

③物理方法

a.水力学方法　降低操作压力，提高料液循环量，有利于提高通量。采用液流脉冲的形式可以很快将膜污染清除，特别是洗液脉冲同反冲洗结合起来，将会得到令人满意的效果。采用压缩空气通向膜组件的处理液侧的鼓泡操作方式，能减轻膜的浓差极化与膜的污染，提高膜的渗透速率。通过膜片旋转和振动等方式也是控制膜污染的有效方法。

b.反冲洗法　采用纯净液体在压力下反向透过膜，除去沉积在膜表面及内壁的污染物，注意洗涤液中不得含有悬浮物以防止中空纤维膜的海绵状层被堵塞。这种方法的效果取决于沉积层的性质，例如，胶体沉积物和可溶性大分子类凝胶层的清洗效果就差一点。另外，如果膜孔被污染，这种方法的清洗效果就不明显，结果使膜的通量逐步降低。

c.气-液脉冲　往膜组件内间隙通入高压气体（空气或氮气）就形成气-液脉冲。气体脉冲使膜上的孔道膨胀，从而使污染物能被液体冲走。此法效果较好，气体的压力一般为0.2～0.5MPa，可以使膜通量恢复到90%以上。

d.恒定跨膜压差操作方式　一般来讲，为了减少膜的污染采用增加流体的膜面流速和降低膜的跨膜压差。然而这两种方法往往是矛盾的。增加流体的膜面流速将可能增加膜的跨膜压差，为了既能增加流体的膜面流速又能降低且恒定膜的跨膜压差，可采用透过液并行流动的方法，该方法将透过液用泵在一定压力下循环，从而在能保持料液膜面高流速条件下，又能降低膜的跨膜压差并保持恒定。

e.临界或亚临界渗透通量操作法　临界渗透通量是指使膜保持长期稳定运行的最大渗透通量。低于临界渗透通量运行，跨膜压差变化缓慢，膜的过滤阻力随时间缓慢上升。对于颗粒来讲，颗粒的反极化率高于对流率，因此无滤饼形成。膜的临界渗透通量与料液的错流速率及膜的本身性质有关。由于不同的体系溶质与膜的相互作用不同，临界渗透通量难于事先得到，一般通过实验确定。

此外还有电场过滤、脉冲电脉清洗、脉冲电解清洗、电渗透反洗、超声波清洗、海绵球机械擦洗等物理方法。

④化学清洗　当采用物理方法不能使膜性能恢复时，必须用化学清洗剂清洗。常用的化学清洗剂主要包括：酸类、碱类、表面活性剂、活性氯、含酶清洗剂、杀菌剂等。

（四）超滤的工业应用

超滤技术是一种应用最广泛的膜分离技术，该技术在水处理、废水深度处理及水资源回收利用、饮品发酵、果汁浓缩、生物制药等工业领域有着广阔的应用前景。超滤技术的应用领域及应用情况如表2-3所示。