超濾膜的原理和方法.doc

.一、工作原理過濾是使液體通過多孔過濾介質(zhì)以分離其中所含的固體顆粒的一種操作。過濾介質(zhì)截阻顆粒而讓液體通過，隨著被分離的顆粒變小，要求介質(zhì)的通道也要變小。如果顆粒小到亞微細粒的程度，膜孔大小就要趨近于能阻止溶液中大分子的通過。這種利用半透膜的微孔過濾以截留溶液中大溶質(zhì)分子的操作稱為超濾，而這樣的半透膜稱為超濾膜。 超濾的驅(qū)動力是壓力，通常高達1.0MPa。運用液壓迫使溶液透過膜并按溶質(zhì)分子大小、形狀等差異，把大溶質(zhì)分子阻留在膜的一側(cè)，成為濃縮液; 而小分子的溶質(zhì)則隨 溶劑透過膜到另一側(cè)，成為透過液流出。如果將所得濃縮液用水稀釋，再進行超濾，可使料液中的低分子溶質(zhì)進一步隨透過液流出，而高分子物質(zhì)逐步得到提純，這樣的過程稱為全濾 (如圖8-4)。 超濾具有分離和提純的作用。 1. 分離作用 圖8-4 超濾原理示意圖 1進料 2濃縮液 3清液 4超濾膜低分子質(zhì)量的溶質(zhì)隨溶媒一起透過濾膜，高分子質(zhì)量的溶質(zhì)被截留，因此，料液被分為帶有低分子溶質(zhì)的透過液和帶有高分子溶質(zhì)及殘留低分子溶質(zhì)的濃縮液。 2. 提純作用 由于分離，提高了濃縮液中總固體里高分子量溶質(zhì)的百分率，因此，提純了高分子溶質(zhì)。在透過液中，低分子溶質(zhì)由于從高分子溶質(zhì)中分離出來，也得到了提純。 二、超濾膜(一)超濾膜的膜滲機理 料液在超濾膜內(nèi)的流動問題比較復雜，簡單的床層流動理論不能充分解釋膜內(nèi)的流動，它不是單純屬于一般毛細管內(nèi)層流的機理。通常膜滲機理有下述兩種模型： 1. 毛細流動模型 在這種模型中，溶質(zhì)的脫除主要靠流過微孔結(jié)構(gòu)的過濾或篩濾作用，半透膜阻止了大分子的通過，按這一模型建立的流動是毛細孔中的層流流動。 2. 溶解擴散模型 在這種模型中，假定擴散質(zhì)的分子，先溶解于膜的結(jié)構(gòu)材料中，而后再經(jīng)載體的擴散而傳遞。因為分子種類不同，溶解度和擴散度也就不同。 實際上，兩種模型在膜滲傳遞中都可能存在，但反滲透以溶解擴散機理占優(yōu)勢，而超濾則以毛細流動機理占優(yōu)勢。為此，又出現(xiàn)綜合兩種機理的所謂“優(yōu)先吸著毛細流動” 的機理。 (二) 超濾膜的結(jié)構(gòu)和材料 目前，超濾膜已發(fā)展到第三代。第一代為醋酸纖維素膜(CA膜)，耐pH范圍38，耐溫050，易受微生物和酶的作用，在強酸和弱堿條件下水解，并且在正常使用時會因蠕變使透水速率降低。盡管有這些缺點，它在食品工業(yè)上目前仍得到廣泛應用。第二代為聚合物膜，制造超濾膜有代表性的聚合物包括多種熱塑性塑料，如聚甲基丙烯酸甲基、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍等。用于高溫的熱塑性塑料如芳族聚酰胺、芳族聚醚等。由這些聚合物制成的半透膜的特性是，具有高壓力下抵抗破壞、高溫下抵抗變性、在酸堿和氧化環(huán)境下抵抗腐蝕等特性。第三代是鋯-氧化鋁膜，耐溫達400，濾膜厚0.1m，為多孔凝膠附著在1001000m厚的多孔托板上。 普通使用的醋酸纖維半透膜，具有不對稱和超微孔的結(jié)構(gòu)，它有一層由致密聚合物做成的超薄(亞微)表層，此層支持在下面的支撐層之上，支撐層由較厚的微孔聚合物制成。表層和支撐層由一次澆鑄工藝制成。 (三)超濾膜的構(gòu)型 超濾膜在工業(yè)應用上有平板狀、管狀、螺旋板狀和空心纖維狀等幾種不同的形式。目前國內(nèi)應用的大多數(shù)為板狀和管狀，空心纖維膜(中空纖維膜) 也已開始試制并應用于生產(chǎn)。 1. 平板膜 這種膜主要用于結(jié)構(gòu)與板框壓濾機相似的設(shè)備上。半透膜張緊在一組多孔板上，用一塊帶槽的板來支持。支撐板的材料為聚砜 (polysulfone)，呈橢圓形，長徑長度為35cm，由雙層空心夾板組成。兩個表面設(shè)計為弧形淺溝，即由多根凸起的弧形圈組成多條料液通道，適于處理粘性物料，不易形成膜面上的濃料沉積，能加快透過速度，改善流動狀況。超濾膜緊貼于支撐板的兩面。兩端開圓孔，料液由一端進入，流過膜面，從另一端流出。清液透過膜層及支撐板溝槽上的長條孔隙，進入夾板空心，從支撐板邊上的一個小管流出。 超濾膜緊貼于支撐板上，在兩端圓孔處有鎖圈將其固定，如圖8-5所示。當兩塊支撐板疊合時，有一面的鎖圈為流通圈，可將料液疏導至支撐板膜面。多塊膜板重合，料液并流通過一定數(shù)量的并流膜板后，在流通孔上設(shè)一擋圈，使料液進入另一組并流膜板，兩組連接，形成串聯(lián)，兩組流動方向相反。如此，多組膜板疊合，組成多次并流與串流，清液從每個膜面透過流出，超濾液不斷地得到濃縮 (如圖8-6所示)。 圖8-5 超濾膜及支撐板組合圖 1流通圈 2超濾膜 3支撐板 4超濾膜 5鎖圈圖8-6 超濾膜組合圖 1超濾膜 2支撐板 3隔板 4流通圈 5鎖圈 A料液進口 B清液出口 C濃縮液出口2. 管狀膜這種膜是牢固地緊貼在支撐管內(nèi)側(cè)，做成的一個元件，是廣泛應用的一種膜型。完整的組件是將此管狀膜裝入外殼內(nèi)構(gòu)成，很像簡單的管式換熱器。 3. 空心纖維膜這種膜是在平板膜基礎(chǔ)上開發(fā)出的具有空間立體幾何形狀的薄膜，使單位體積的膜滲設(shè)備不依靠極薄的半透膜而有很大的膜滲能力。在各種幾何形狀中，最有吸引力的是小直徑的空心圓柱，而圓柱壁由半透膜制成。因此，圓柱面積與體積之比值反比于直徑，而且對于給定的內(nèi)外徑比值，壁厚正比于直徑，故單位體積空心圓柱膜的透過量與直徑的平方成反比。這樣，采用空心圓柱構(gòu)形，就大大地提高了單位體積膜滲設(shè)備的生產(chǎn)能力?？梢宰C明，在超濾應用上，采用一個大小合理的小直徑空心纖維膜的圓柱束，則所發(fā)生的透過液量將相當于幾十平方米超薄平板膜上所得者。 空心纖維為細長的膜管，內(nèi)壁為膜層，膜層結(jié)合于海綿式的外壁上，外壁有粗孔，內(nèi)層起超濾分離作用。內(nèi)膜孔的大小，決定管內(nèi)被阻物質(zhì)的大小?？招睦w維內(nèi)徑約200m，由惰性的非離子聚合物制成，具有獨特的各向異性的(表皮)結(jié)構(gòu)，有明顯高的流率(如圖8-7)。 圖8-7 空心纖維超濾膜筒三、超濾裝置(一) 板式分離裝置 用于大規(guī)模生產(chǎn)的平板式超濾分離設(shè)備有類似板框式的結(jié)構(gòu) (如圖8-8)。 在這種設(shè)備中，被處理的液體在窄溝道中流動，溝道寬度僅0.30.5mm，液體沿膜做徑向流動。在同一膜上，與膜接觸的路程只有150mm左右。通常液體流動的平均流速約為0.5m/s，故流動為層流。一般平板膜滲設(shè)備由許多膜滲組件構(gòu)成，每一組件提供一定的膜面積，從幾平方米到幾十平方米。 (二) 空心纖維膜滲分離器 圖8-8 平板膜分離裝置結(jié)構(gòu)原理 1隔離板 2半透膜 3膜支撐板 4中央螺栓空心纖維膜滲分離裝置的外形亦為殼管狀(如圖8-9)。 圖8-9 中空纖維膜組件剖面圖 1鹽水 2進料 3取樣 4中空纖維膜 5環(huán)氧樹脂管板 6多孔支撐板 7產(chǎn)品 8外殼 9環(huán)氧樹脂塊這種膜滲分離器把幾千萬根空心纖維集束的開口端用環(huán)氧樹脂粘接，裝填在管狀殼體內(nèi)而成。其特點是： (1)裝置內(nèi)單位體積的膜面積很大; (2)膜