超滤的技术应用
超滤UF的技术应用
超滤（UF）的工作原理：
超滤技术是近年来依托于材料科学发展起来的先进的膜分离技术，已广泛地应用到工业及市政建设的各个领域。
超滤(UF) 是一个压力驱动的膜分离过程，它利用多孔材料的拦截能力，将颗粒物质从流体及溶解组份中分离出来。超滤膜的典型孔径在0.01-0.1微米之间，对于细菌和大多数病毒、胶体、淤泥等具有极高的去除率。膜的公称孔径越小，去除率越高。超滤膜通常使用的材料都是高分子聚合物，其基本性质以疏水性为主。能够进行共混等亲水性改性。该过程为常温操作，无相态变化，不产生二次污染。
超滤采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料，系双皮层中空纤维结构。在工业应用的PVDF超滤膜中，超滤具有最小的公称孔径，能够去除几乎所有的微粒、细菌(4-log去除率)、大多数病毒以及胶体。尽管孔径很小，但其极高的孔隙率使得超滤能够获得和微滤相当的通量，因而在大多数情况下是比微滤更好的选择。
超滤采用不易堵塞的外压式结构，具有更高的截污量，更大的过滤面积，清洗也更简便、彻底。流态设计以全流过滤为主，但元件也可以很方便地转换成错流过滤的模式。与错流相比，全流过滤能耗低、操作压力低，因而运行成本更低。相对的，错流过滤则能处理悬浮物更高的流体。因此具体的操作形式需根据进水中悬浮物含量来确定。
超滤通常以恒流方式运行，跨膜压差(TMP)将随运行时间逐渐增加，此时通过定期的反洗或者气擦洗可以清除污染层，而使用杀菌剂或者其它清洗剂则能够更彻底地控制微生物繁殖，去除污染物。
在水处理领域，超滤可用于出去水中的微粒、胶体、细菌、病毒、热源、蛋白质及高分子有机物，使水得到净化。
超滤的优点及特点
使用寿命长：超滤采用特别性能的PVDF材料并经过亲水改性，具有极佳的抗氧化性和抗疲劳强度，抗污染，耐清晰，大大延长了膜丝的使用寿命。
产水品质高：超滤的平均过滤精度达到0.03µm，泡点压力更高，对细菌去除率达到6-log，使得其获得更佳的产水品质。
适用范围广：超滤的外压式结构和专利的布水方式，容许更宽的进水悬浮物含量，更适合于水质较差的应用条件，并同时保证很高的水回收率。
运行费用低：超滤外压式可采用低廉的气水混合清洗方式，高效保持通量的长期稳定，节约化学清洗剂消耗。
超滤的应用主要涉及三方面：工业应用，食品生化，饮用水，下面分别进行介绍。
超滤的工业应用可以分为三种类型：（1）浓缩（2）小分子溶质的分离（3）大分子溶质的分级。
绝大部分的工业应用属于浓缩这个方面。可以采用与大分子结合或复合的办法来分离小分手溶质。游离钙及蛋白质结合钙的分离是一个例子。小分子溶质分离，例如除盐及盐交换，可以通过超滤来完成也可以通过超滤与透析相结合来完成。可以采用具有不同分子量切割值的膜来进行大分子溶质的分级，或者采用一种组合系统，由几个超滤池组合，从一个超滤池出来的液体可以进入下一个超滤池，每个池中的膜所切割的分子量值是逐步下降的。
工业应用
·用超滤进行电泳漆回收
·利用超滤进行含油废水的回收
·用超滤处理含重金属废水
·其他工业应用
在金属电泳涂漆过程中，带电荷的金属物件浸人一个装有带相反电荷的涂料池内。由于异电相吸，涂料便能在金属表面形成一层均匀的涂层，金属物件从池中捞出并水洗除去随带出的涂料。为达到保护环境，节能闭合循环的目的，可采用超滤过程将聚合物树脂及颜料颗粒阻留下来，而允许无机盐、水及溶剂穿过超滤膜出去。阻留下来的组分再回至电泳漆贮罐中去。滤液用于淋洗刚从电泳漆中取出的新上攘的制件，以回收制件夹带的多余的漆。如下图所示。
早在1968年美国PPG公司的专利就提出用超滤和反渗透的组合技术处理电泳漆废水。目前，该项技术现己泛用于自动化流水线上，已有几百个膜面积大于 100m2的膜组件投人运行，其中主要为管式。由于池内溶液带电荷，现已开发出表面带相同电荷的膜，因同性相斥而使该膜不易污染。膜渗透流率持续几个月保持在1m/d以上而不用清洗，膜寿命一般在2年以上。
油水乳浊液在金属机械加工过程中被广泛用作工具和工件反复冷拔操作及金属滚轧成形，切削操作的润滑和冷却，但因在使用过程中易混人金属碎屑、菌体及清洗金属加工表面的冲洗用水，导致其使用寿命非常短。单独的均分子就其分子量而言小得可通过超滤膜，而对这些含油废水超滤则能成功地分离出其油相，这是因为油水界面张力足够使油滴不能透过已被水浸湿的膜，经过超滤后渗透液中的油浓度通常低于10g/m3，已达排放标准可排人阴沟，而浓缩液中最终含油达 30%~60%可用来燃烧或它用。其操作流程如下图所示。此外，碱清洗溶液浴常用于清洗油污状或脏的金属部件。借助于超滤也可用于处理这种清洗溶液以除去润滑脂、油及脏粒子，并以滤液形式回收绝大部分的清洗剂。如下图所示。
超滤工业应用之三----利用超滤处理含重金属废水
胶束强化超滤(MEIJF)是最近发展起来的与表面活性剂技术相结合的一种超滤法。其原理如下图所示。在工业废水中注入浓度高于临界胶束浓度的表面活性剂，其疏水端向内缠结，而带负电的亲水端排列在表面，因而使得该胶柬表面带有负电荷。废水中的金属阳离子由于静电作用而吸附在上面，采用截留分子量小于胶束分子量的超滤膜，则可使金属离子被截留。
将表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)加入模拟废水中分别分离Cd2+、Zn2+、Cd+及Ca2+四种离子，截留率均在96%以上，膜渗透流率与纯水相同，说明MEUF的工业应用是有可能的。也有研究人员采用天然的脱氧胆酸及卵磷脂作为表面活性剂，结果表明其对Ca2+、Pb2+、Cu2+、Ni2+、 Zn2+的分离效果比SDS更好，截留率在99.9%以上。由于MEUF中表面活性剂浓度必须高于临界胶束浓度才能形成胶束，故MEUF不能用于低浓度金属离子的分离。
采用即使很少量也不会解聚的聚电解质竣甲基纤维素(CMC)和聚苯乙烯磺酸纳(PSS)代替表面活性剂加入废水中，聚电解质即发生解离，反离子 (Na+)进人水中，聚合物带负电，废水中的Cu2+等重金属离子与聚合物结合，用截留分子量小于该聚合物的超滤膜便能将废水中的Cu2+截留下来。这一改进的MEUF被称为聚电解质强化超滤(PEIJF)，用该技术可使废水中的Cu2+浓度由100×10-6降至1×10-6。
有一种利用离子的排斥效应进行分离的超滤过程称之为IEIJF(Ion-Expulsion Ultrafiltration)。众所周知，胶束在水中结合了少于化学计量数的反离子因而它带有电荷，而该电荷数在一个相当大的离子浓度范围内都接近于常数，IEUF便是利用胶束的这一特性分离与它带有相同电荷的离子，下图为IEUF过程示意图。根据Donnan平衡原理，当溶液中解离的阴、阳离子在膜两侧的渗透液和浓缩液中处于平衡状态时，其离子活度积相等，因而可计算出每一种离子的浓度。计算结果表明，当达到平衡时Cr042-在渗透液中可浓缩 21.5倍。
超滤的其他工业应用：
（1）超滤应用在高纯水的制备中
许多工业用水要求非常严格，特别是电子工业中，许多地方都要使用高纯水，这对保证产品质量起着重要的作用。例如在集成电路半导体器件的切片、研磨、外延、扩散和蒸发等工艺过程中，要反复用高纯水清洗，集成电路在很小面积内，有许多电路相邻元件之间只有0.002mm左右的距离，因此清洗用水要求很严格。一般要求无离子、无可溶性有机物、无菌体和无大于0.5μm的粒子。每个集成电路厂，都有一个制造高纯水的中心系统，然后通过分配系统，输送到使用点。净化流程如下：
自来水→预过滤→超滤（或微滤）→反渗透→阴、阳离子交换树脂混合床→超滤→分配系统微滤→使用点微滤→使用
超滤在高纯水制备过程中主要用于去除胶体、微粒、细菌。用于高纯水制备的超滤组件多为中空纤维式，膜渗透流率高达2~4m/d。
（2）含淀粉及酶的废水处理。
某些食品加工业中，例如土豆加工，其废水含有低浓度淀粉，酿造工业排放物中含有酶等。超滤可用于回收淀粉及酶，并得出可允许排放的废水。
（3）纺织工业脱浆水的处理。
上浆材料例如淀粉及水溶性聚合物（聚乙烯醇）经常用于纺织过程以利该过程的进行。将织好的布进行洗涤以除去浆料，这样就得出含上浆材料的稀溶液。超滤可用于回收这种上浆材料以重复使用，并得出质量好的水滤液，它可以排放或重复使用。
（4）乳液浓缩。
在合成橡胶制造与应用中，容器、反应器等的洗涤水中含有稀乳液溶液，采用超滤过程对此进行浓缩是成功的。
（5）冲洗羊毛的排放液的处理。
这种排放液中含有被洗涤剂乳化的羊毛脂型的油脂，它可以采用超滤方法脱水（常常与离心操作相结合）。
（6）纸浆工厂排放液的处理。
这种排放液中含有高分子量的木质素磺酸盐，可以采用超滤方法进行分离并浓缩。
（7）在中药制剂工艺中的应用。
目前，我国卫生部已将膜分离技术列入中药的分离精制方法之一。超滤技术主要用于制备中药注射液（如复方丹参注射液，茵槌黄注射液，五昧消毒饮注射液等)，提取有效成分（如从黄苓中提取黄苓试）和制备药浸膏等方面。超滤法单独或与活性炭、反渗透相结合还用以有效地除去细菌和热原；制取中药口服液（人参精口服液，海龙哈阶四精口服液)，医药用纯水制备，保健饮料。
超滤之食品生化应用-------用超滤处理乳品
乳品工业奶醋生产过程中将产生大量的乳清，据统计，仅美国每年就有2500万m3乳清产生，因而该领域成为超滤应用的最大领域。如下图所示，通过超滤，可得到含蛋白质10%的浓缩液，若将其通过喷雾干燥，可得到含蛋白质65%的乳清粉，在面包食品中可代替脱脂奶粉。若将其进一步脱盐，则可得到蛋白质含量高于80%的产品，可用于婴儿食品。而含乳糖的渗透液经浓缩干燥后可用作动物饲料。
超滤过程处理乳清
在乳清超滤中各种不同形式的组件均被采用，其中最大者含膜面积1800m2，乳清日处理量为1000m3。通常在50℃下操作。膜渗透流率最初大于 1m/d，当乳清浓缩10倍后其粘度大于0.002Pas(0.02P)、膜渗透流率降至0.5m/d，因而其浓缩极限在很大程度上决定于膜污染和乳清浓缩液粘度的增加。超滤应用于食品工业最重要问题是每日的清洗和灭菌。一般先碱洗，然后酸洗，最后用次氯酸钠溶液灭菌。膜寿命可达1年以上。
一种新的奶酪生产工艺是先将脱脂牛奶用超滤浓缩3~4倍，然后再将其浓缩液用于发酵生产奶醋，参见下图，以其极大的优越性正被逐渐推广。因为用处理过的浓缩液生产奶酶，其得率可提高20%以上，据保守估计可节约6%的牛奶；此外因乳糖从牛奶中被除去而使奶醋味道更加鲜美，最后还减少了乳清的处理量。
带超滤的奶酶生产新工艺
超滤之食品生化应用------用超滤进行果汁澄清
从苹果中榨取的新鲜果汁，由于含有果胶等化合物而呈现混浊状。传统方法采用酶、皂土和明胶使其沉淀，然后取上清液过滤而获得澄清的果汁[参见下图 (a)传统工艺]。通过超滤或微滤来澄清果汁，只需先部分脱除果胶，可减少酶的用量，省去皂土和明胶，节约了原材料，并且省工省时[参见下图(b)超滤新工艺]。同时果汁回收率也有所提高，达98%~99%。此外，经超滤处理的果汁质量也有所提高，浊度仅0.4~0.6NTU(传统工艺为1.5~3.0 NTU)。又因超滤可元热除去果汁中的菌体，因而可延长果汁的保质期。
超滤之食品生化应用----用超滤进行血清白蛋白的提取
从血浆中分离血清白蛋白包括一系列复杂的过程。如下图所示，将已经处理的含3%白蛋白、20%乙醇和其他小分子物质的组分使用截留分子量30000的超滤膜通过三步法将白蛋白从乙醇中分离出来。在第一、二步过程中，膜渗透流率为0.5~0.7m/d，最后一步时，降至0.1m/d以下。据最新报道[叫，采用截留分子量10000的氧化锆金属膜，其膜寿命更长，能量更大。加之采用反冲和脉冲进料可减少膜污染，第一、二步的渗透率可增加近1倍，且渗透液中白蛋白浓度更低，通常低于0.4g/L。
超滤之食品生化应用----用超滤进行血清白蛋白的提取
从血浆中分离血清白蛋白包括一系列复杂的过程。如下图所示，将已经处理的含3%白蛋白、20%乙醇和其他小分子物质的组分使用截留分子量30000的超滤膜通过三步法将白蛋白从乙醇中分离出来。在第一、二步过程中，膜渗透流率为0.5~0.7m/d，最后一步时，降至0.1m/d以下。据最新报道[叫，采用截留分子量10000的氧化锆金属膜，其膜寿命更长，能量更大。加之采用反冲和脉冲进料可减少膜污染，第一、二步的渗透率可增加近1倍，且渗透液中白蛋白浓度更低，通常低于0.4g/L。
