2018-06-20 02:45:15
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超濾原理
一、基本內(nèi)容
超濾原理也是一種膜分離過程原理，超濾利用一種壓力活性膜，在外界推動力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質(zhì),而水和小的溶質(zhì)顆粒透過膜的分離過程。通過膜表面的微孔篩選可截留分子量為3x10000—1x10000的物質(zhì)。當(dāng)被處理水借助于外界壓力的作用以一定的流速通過膜表面時，水分子和分子量小于300—500的溶質(zhì)透過膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于篩分作用被截留，從而使水得到凈化。也就是說，當(dāng)水通過超濾膜后，可將水中含有的大部分膠體硅除去，同時可去除大量的有機物等。
二、超濾膜凈水工藝對進水水質(zhì)技術(shù)要素
如今海德能超濾膜在凈水工業(yè)應(yīng)用十分廣泛，以成為預(yù)處理工藝工程中單元操作之一?？梢驗樗羞€有微生物雜志進行凈化、分離、濃縮等深度處理，而且根據(jù)中空纖維超濾膜特性提供前處理要求。
在采用超濾膜處理時，其中精密的微結(jié)構(gòu)，截留分子級甚至離子級的微粒，用濁度來反映水質(zhì)明顯是不精確的。可有效去除水中含有懸浮物、膠體、微生物所還有的雜質(zhì)。而水中SDI值主要用于檢測水中膠體和懸浮物等微粒的多少，是表征系統(tǒng)進水水質(zhì)的重要指標(biāo)。而SDI的值的大小大致可反映膠體污染程度，即需進行預(yù)處理。
海德能超濾膜技術(shù)對SDI值的降低最為有效，特別是較大顆粒對海德能中空纖維超濾膜有嚴(yán)重的污染，在超濾工藝中必須進行預(yù)處理，至于采取何種處理工藝尚無固定的模式，這是因為供水來源不同，因而預(yù)處理方法也各異。
對于水質(zhì)中含有5μm以上粒徑雜質(zhì)，濾器必須選用5μm過濾精度去除，雖然上述常規(guī)過濾技術(shù)很難去除超濾對這些微粒和膠體有絕對的去除作用，但對海德能中空纖維超濾膜的危害是極為嚴(yán)重的。特別是膠體粒子帶有電荷，是水中物質(zhì)分子和離子的聚合體，主要是同性電荷的膠體粒子相互排斥的結(jié)果，所以膠體能穩(wěn)定在水中存在。
因此證明，超濾膜在凈水工藝處理中發(fā)展速度，為了超濾膜技術(shù)能開辟工業(yè)凈水的廣闊市場空間，國內(nèi)水質(zhì)污染采用超濾技術(shù)也越來越多，是解決未來城市水資源危機的有效途徑之一。
超濾膜大多由醋酯纖維或與其性能類似的高分子材料制得。最適于處理溶液中溶質(zhì)的分離和增濃，也常用于其他分離技術(shù)難以完成的膠狀懸浮液的分離，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴大。以壓力差為推動力的膜過濾可區(qū)分為超濾膜過濾、微孔膜過濾和逆滲透膜過濾三類。它們的區(qū)分是根據(jù)膜層所能截留的最小粒子尺寸或分子量大小。采用超濾膜以壓力差為推動力的膜過濾方法為超濾膜過濾。
超濾膜最適于處理溶液中溶質(zhì)的分離和增濃，或采用其他分離技術(shù)所難以完成的膠狀懸浮液的分離。超濾膜一般為高分子分離膜，用作超濾膜的高分子材料主要有纖維素衍生物、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺及聚碳酸酯等。
東麗超濾膜的結(jié)構(gòu)有對稱和非對稱之分。前者是各向同性的，沒有皮層，所有方向上的孔隙都是一樣的，屬于深層過濾;后者具有較致密的表層和以指狀結(jié)構(gòu)為主的底層，表層厚度為0.1微米或更小，并具有排列有序的微孔，底層厚度為200～250微米，屬于表層過濾。工業(yè)使用的超濾膜一般為非對稱膜。
三、超濾裝置工藝原理及技術(shù)優(yōu)勢
超濾處理過程無相變，對物料中組成成分無任何不良影響，且分離、純化、濃縮過程中始終處于常溫狀態(tài)，特別適用于熱敏性物質(zhì)的處理，完全避免了高溫對生物活性物質(zhì)破壞這一弊端，有效保留原物料體系中的生物活性物質(zhì)及營養(yǎng)成分。
超濾設(shè)備系統(tǒng)回收率高，可實現(xiàn)物料的高效分離、純化及高倍數(shù)濃縮。系統(tǒng)制作材質(zhì)采用衛(wèi)生級管閥，現(xiàn)場清潔衛(wèi)生，滿足GMP或FDA生產(chǎn)規(guī)范要求。系統(tǒng)工藝設(shè)計先進，集成化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，操作與維護簡便，工人勞動強度低。超濾設(shè)備系統(tǒng)能耗低，生產(chǎn)周期短，與傳統(tǒng)工藝設(shè)備相比，能有效降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。
四、原理
超濾原理并不復(fù)雜。在超濾過程中，由于被截留的雜質(zhì)在膜表面上不斷積累，會產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，當(dāng)膜面溶質(zhì)濃度達到某一極限時即生成凝膠層，使膜的透水量急劇下降，這使得超濾的應(yīng)用受到一定程度的限制。為此，需通過試驗進行研究，以確定最佳的工藝和運行條件，最大限度地減輕濃差極化的影響，使超濾成為一種可靠的反滲透預(yù)處理方法。
a． 超濾與傳統(tǒng)的預(yù)處理工藝相比，系統(tǒng)簡單、操作方便、占地小、投資省、且水質(zhì)極優(yōu)，可滿足各類反滲透裝置的進水要求。
b． 合理地選擇運行條件和清洗工藝，可完全控制超濾的濃差極化問題，使此預(yù)處理方法更可靠。
c．超濾對水中的各類膠體均具有良好的去除特性,因而可以考慮擴大到凝結(jié)水精處理及離子交換除鹽系統(tǒng)的預(yù)處理中。
在超濾過程中，水深液在壓力推動下，流經(jīng)膜表面，小于膜孔的深劑（水）及小分子溶質(zhì)透水膜，成為凈化液（濾清液），比膜孔大的溶質(zhì)及溶質(zhì)集團被截留，隨水流排出，成為深縮液。超濾過程為動態(tài)過濾，分離是在流動狀態(tài)下完成的。溶質(zhì)僅在膜表面有限沉積，超濾速率衰減到一定程度而趨于平衡，且通過清洗可以恢復(fù)。
超濾是以壓力為推動力的膜分離技術(shù)之一。以大分子與小分子分離為目的，膜孔徑在20－1000A°之間。中空纖維超濾器（膜）具有單位溶器內(nèi)充填密度高，占地面積小等優(yōu)點。
五、特點
1. 濾過程是在常溫下進行，條件溫和無成分破壞，因而特別適宜對熱敏感的物質(zhì)，如藥物、酶、果汁等的分離、分級、濃縮與富集。
2. 濾過程不發(fā)生相變化，無需加熱，能耗低，無需添加化學(xué)試劑，無污染，是一種節(jié)能環(huán)保的分離技術(shù)。
3. 超濾技術(shù)分離效率高，對稀溶液中的微量成分的回收、低濃度溶液的濃縮均非常有效。
4. 超濾過程僅采用壓力作為膜分離的動力，因此分離裝置簡單、流程短、操作簡便、易于控制和維護。
5. 超濾法也有一定的局限性，它不能直接得到干粉制劑。對于蛋白質(zhì)溶液，一般只能得到10～50％的濃度。
六、超濾裝置
是在一個密閉的容器中進行，以壓縮空氣為動力，推動容器內(nèi)的活塞前進，使樣液形成內(nèi)壓，容器底部設(shè)有堅固的膜板。小于膜板孔徑直徑的小分子，受壓力的作用被擠出膜板外，大分子被截留在膜板之上。超濾開始時，由于溶質(zhì)分子均勻地分布在溶液中，超濾的速度比較快。但是，隨著小分子的不斷排出，大分子被截留堆積在膜表面，濃度越來越高， 自下而上形成濃度梯度，這日才超濾速度就會逐漸減慢，這種現(xiàn)象稱為濃度極化現(xiàn)象。為了克服濃度極化現(xiàn)象，增加流速，設(shè)計了幾種超濾裝置：
1. 無攪拌式超濾
這種裝置比較簡單，只是在密閉的容器中施加一定壓力，使小分子和溶劑分子擠壓出膜外，無攪拌裝置濃度極化較為嚴(yán)重，只適合于濃度較稀的小量超濾。
2. 攪拌式超濾
攪拌式超濾是將超濾裝置位于電磁攪拌器之上，超濾容器內(nèi)放人一支磁棒。在超濾時向容器內(nèi)施加壓力的同時開動磁力攪拌器，小分子溶質(zhì)和溶劑分子被排出膜外，大分子向濾膜表面堆積時，被電磁攪拌器分散到溶液中。這種方法不容易產(chǎn)生濃度極化現(xiàn)象，提高了超濾的速度。
4. 中空纖維超濾
由于膜板式超濾裝置，截留面積有限，中空纖維超濾是在一支空心柱內(nèi)裝有許多的，中空纖維毛細管，兩端相通，管的內(nèi)徑一般在0．2mm左右，有效面積可以達到1平方厘米每一根纖維毛細管像一個微型透析袋，極大地增大了滲透的表面積，提高了超濾的速度。
七、超濾技術(shù)的應(yīng)用
早期的工業(yè)超濾應(yīng)用于廢水和污水處理。三十多年來，隨著超濾技術(shù)的發(fā)展，如今超濾膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)很廣，主要包括食品工業(yè)、飲料工業(yè)、乳品工業(yè)、生物發(fā)酵、生物醫(yī)藥、醫(yī)藥化工、生物制劑、中藥制劑、臨床醫(yī)學(xué)、印染廢水、食品工業(yè)廢水處理、資源回收以及環(huán)境工程等等。
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