第六章_微滤(MF)

1、1 微滤(Microfiltration)又称为“微孔过滤”，它是以静压 差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜分离过 程。 MF膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，在静压差的作用 下，小于膜孔的粒子通过膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在 膜的表面上，使大小不一的组分得以分离。 MF作用相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙 率高，因而阻力小，过滤速度快，实际操作压力也较低 （12atm或bar巴）。 MF主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小 悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红细球、污染物等， 以达到净化、分离和浓缩的目的。被分离粒子的直径范围 为 0.110m。 3 MF膜在过滤

2、时介质不会脱落，没有杂质溶出，无毒，使用 方便，使用寿命较长，同时，膜孔分布均匀，可将大于孔 径的微粒、细菌、污染物截留在滤膜表面，滤液质量较高， 也称为绝对过滤（Absolute Filtration）。适合于过滤悬 浮的微粒和微生物。 测试微粒测试微粒球形球形SiO2球形聚苯乙烯球形聚苯乙烯细菌细菌热原热原 直径直径/m 脱除率脱除率/% 0.21 99.99 0.038 99.99 0.085 100 0.10.4 100 0.001 99.997 4 MF滤除微粒和微生物的效率滤除微粒和微生物的效率 与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺 布相比，MF膜有以下几个特点： 属于绝对过滤介质 孔

3、径均匀，过滤精度高 厚度薄，吸附量小。MF膜的厚度一般为 10200m。 通量大。由于MF膜的孔隙率高，因此在同等 过滤精度下，流体的过滤速度比常规过滤介 质高几十倍。 无介质脱落，不产生二次污染。 颗粒容纳量小，易堵塞。 5 尽管普遍认为MF的分离机理类似于“筛分”，但 在这种“筛分”过程中，MF膜的结构起着决定性的作用， 膜的结构不同，截留机理也有较大差异。 对于MF膜，比较公认的有两种结构，一种称为 “筛分”膜(screen membranes)，它拥有几乎完美的圆柱 形孔，这些孔或多或少与膜表面垂直并随机分散。用核刻蚀 法制备的PC膜即属该类。 另一种是“深层”膜(depth memb

4、ranes)，其孔 是弯曲不规则的，膜的表面也很粗糙，一部分孔的路径与膜 表面是平行的。通常的商品PVC、PVDF、PTFE、CA、 PES和PP等材质膜即属该类。 6 7 筛筛 分分 膜膜 深深 层层 膜膜 8 (a) Screen filtration (b) Depth filtration 可分两大类： （1）膜表面层截留：又分有机械截留（筛分 截留），指MF膜将尺寸大于其孔径的微粒等 杂质截留；吸附截留，指MF膜将尺寸小于 基孔径的微粒通过物理或化学作用吸附而截留； 架桥截留，指固体颗粒在膜的微孔入口因架 桥作用而被截留。 （2）膜内部截留（也称为网络截留），这种截 留发生在膜的内部

5、，往往是由于膜孔的曲折而 形成。 除上述截留之外，某些情况下，还有静电截留。 7 10 （a）膜表面层截留）膜表面层截留（b）膜内部截留）膜内部截留 （网络中截留）（网络中截留） 11 （B）错流过滤（）错流过滤（Cross-flow filtration） （A）终端过滤或死端过滤）终端过滤或死端过滤 （Deal-end filtration or In-line filtration） 12 两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系 终终 端端 过过 滤滤 错错 流流 过过 滤滤 终端过滤，原料液置于膜的上游，在 压差推动下，溶剂和小于膜孔的

6、颗粒 透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留， 该压差可通过原料液加压或透过液侧 抽真空产生。 随时间的延长，被截留颗粒将在膜表 面形成污染层，污染层且不断增厚和 压实，使过滤阻力增加，在操作压力 不变的情况下，膜渗透速率将下降。 因此这种常规过滤操作只是间歇式的， 必须进行周期性的清洗，不过其简单 易行，适宜小规模的场合和初步检测 膜的性能。若在工业上应用，建议在 固含量低于0.1%的情况下使用。 13 错流过滤是工业上应用的最常见的一种 操作方式。尤其是后面地陆续介绍的UF、 NF和RO。其特点是原料液以切线方向 流过膜表面，在压力作用下小于膜孔的 微粒和溶剂透过膜，大于膜孔的颗粒则 被截留形成

7、污染层，但与终端过滤不同 的是料液流经过膜表面时产生的高剪切 力可使沉积在膜表面上的微粒扩散返回 主体流，被带出膜组件。 由于过滤导致的微粒的沉积速度与流速 产生的剪切力引发的微粒返回主体的速 度达到平衡，可使污染层不再增厚而保 持在一个较薄的水平，因此膜通量可以 在较长时间内稳定在一定的水平。 污染层的厚度与压力有关，也与流量有 关，为了使膜的污染程度最小，要有合 理的压力和流速的匹配关系。 14 主要有：厚度、过滤速率、空隙率、孔径及其分布等4个 方面。 膜厚通常用0.01mm的螺旋千分尺测定，较严格的方法是 以专用的薄膜测厚仪测定。 过滤速度是以恒压连续过滤装置测定流体在一定温度和压 力

8、下，单位时间内透过单位膜面积的液体量。 空隙率是通过测定的表面密度、真密度，然后按公式计算。 MF膜的孔径对严格控制成膜条件和选择滤膜的最佳应用极 为重要。常用测定方法有压汞法、泡压法、气体流量法和 已知颗粒通过法等。许多商品膜标示孔径时，通常也都注 明所用的测试方法。 15 疏水聚合物膜：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二 氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP) 亲水聚合物膜：纤维素酯(CA和CTA)、聚碳 酸酯(PC)、聚砜/聚醚砜(PSF/PES)、聚酰 亚胺/聚醚酰亚胺(PI/PEI)、聚脂肪酰胺(PA) 陶瓷膜：氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅 16 厂厂 家家类类 型型膜材料膜材料膜孔径膜孔

9、径/m 杭州水处理技术研发中心杭州水处理技术研发中心折叠滤芯折叠滤芯,平板滤膜平板滤膜CN+CA,PAN0.2270 无锡市超滤设备厂无锡市超滤设备厂折叠滤芯折叠滤芯,平板滤膜平板滤膜 CN-CA,CA-CTA 0.220.8 上海医工院上海医工院平板滤膜平板滤膜CN-CA0.23.0 旅顺化工厂旅顺化工厂平板滤膜平板滤膜PSA0.20.8 辽源市膜分离设备厂辽源市膜分离设备厂平板滤膜平板滤膜,管式管式PSA013 机电部北京第十设计研究院机电部北京第十设计研究院蜂窝滤芯蜂窝滤芯PP,棉纤维棉纤维0.875 化工部南通合成材料实验厂化工部南通合成材料实验厂折叠滤芯折叠滤芯,平板滤膜平板滤膜尼龙

10、尼龙-660.20.8 苏州净化设备厂苏州净化设备厂平板滤膜平板滤膜CN-CA0.23 上海集成过滤器材厂上海集成过滤器材厂折叠滤芯折叠滤芯,平板滤膜平板滤膜PS,PP,PTFE0.20.6 中科院大连化物所中科院大连化物所平板滤膜平板滤膜PSA0.20.8 中科院高能物理所中科院高能物理所平板滤膜平板滤膜PC核孔膜核孔膜 17 CN硝酸纤维素，硝酸纤维素，CA醋酸纤维素，醋酸纤维素，PAN聚丙烯腈，聚丙烯腈，CTA三醋酸纤维素三醋酸纤维素 PSA聚砜酰胺，聚砜酰胺，PS聚砜，聚砜，PP聚丙烯，聚丙烯，PTFE聚四氟乙烯，聚四氟乙烯， PC聚碳酸酯聚碳酸酯 18 实验室小型实验室小型MF膜设备

11、膜设备 实验室实验室MF膜中试设备膜中试设备 19 发酵液提取陶瓷膜成套设备发酵液提取陶瓷膜成套设备 在工业发达国家，从家庭生活到尖端技术都在不同 程度上应用MF技术，其主要用于无菌液体的制备、生物制 剂的分离、超纯水的制备以及空气的过滤、生物及微生物的 检测等方面。 . 在医疗卫生领域中的应用 主要体现在药用水（包括纯净水、注射用水）的 过滤、小针剂及眼药液的精滤及终端过滤，血液过 滤，中草药液、后发酵液的澄清过滤，空气、蒸汽 的过滤等。在制药工业中，终端过滤的选择相当关 键，其去除效率取决于选择合适的滤膜材料、膜孔 径及流程。 20 21 滤芯过滤器滤芯过滤器 22 Sterile fil

12、tration of a small-volume pharmaceutical solution with a 142 mm plate-and-frame filter（平板式过滤器）（平板式过滤器） used as a prefilter in front of a small disposable cartridge final filter. 23 Standard-size disposable cartridges can be connected in series or parallel to handle large flows. . 在生物化学和微生物研究中的应用 利用不

13、同孔径的MF膜收集细菌、酶、蛋白、 虫卵等提供分析。利用膜进行生物培养时， 可根据需要在培养过程中变换培养基，以达 到多种不同的目的，并可进行快速检验。因 此，MF技术已被用于水质检验、临床微生物 标本的分离、溶液的澄清、酶活性的测定等。 24 . 在食品饮料工业领域中的应用 MF技术普遍用于酒类、饮用水、茶饮料、果汁、奶制 品、碳酸饮料的澄清和除菌过滤。如用孔径小于0.5m 的微孔滤膜（滤芯过滤器）对啤酒和酒进行过滤后，可脱 除其中的酵母、霉菌和其他微生物。经这样处理的产品清 澈、透明、存放期长，且成本低。 我国经多年努力，已研制出多种材质的系列孔径的MF膜 元件，并形成产业化规模，已广泛用

14、于国内各大著名的饮 料生产商，如旭日升、汇源果汁、农夫果汁等企业。 25 26 原料原料糖化糖化发酵发酵后发酵后发酵硅藻土过滤硅藻土过滤 膜过滤膜过滤缓冲罐缓冲罐 膜过滤膜过滤罐装罐装 鲜生啤酒生产中膜过滤流程鲜生啤酒生产中膜过滤流程 . 在电子工业中的应用 电子工业使用的流体包括气体和液体，过滤器大致分为气体 过滤器和液体过滤器。气体过滤器采用疏水性MF膜来从主体 气体（氮、氧、氢）和特殊气体（如硅烷、胂、磷化氢、氨） 中去除粒子。液体过滤器分成化学药剂过滤、光敏抗蚀剂过 滤器及去离子水过滤器。 在电子工业中，对去离子水的要求很高，因此应选择洁净度 高，滤膜完整性好，孔径均匀的MF膜，否则会

15、影响去离子水 的水质，进而导致电子元器件或集成电路板的报废。 MF膜在纯水制备中主要用处有两方面：一是在RO或ED前 用作保安过滤器，用以清除细小的悬浮物质；二是在阳/阴或 混合交换柱后，作为最后一级终端过滤手段，用它滤除树脂 碎片或细菌等杂质。 27 28 原水原水絮凝沉淀絮凝沉淀砂、无烟煤过滤砂、无烟煤过滤加氯消毒杀菌加氯消毒杀菌 预过滤预过滤RO阳床阳床阴床阴床 阴阳混床阴阳混床MF用户用户 电子工业超纯水制备流程电子工业超纯水制备流程 . 在油田注水的应用 在石油开采中，向低渗透油田实行早期注 入高质量的水是对低渗透油田补充能量， 稳定产量的长期的根本保证。 在石油开采注水工艺中一个核心的环节是 如何保证注入水的水质，MF技术在其中已 发挥了较大的作用，国内主要用PE烧结微 孔管、折叠式MF膜过滤芯及中空纤维UF 组件等。 29 . 在家庭生活中的应用 由于我国城市自来水供 给系统在输送过程中的不 完善，我们日常饮用的自 来水往往存在着二次污染 的问题，这对我们的人身 健康带灰很大的隐患。采 用MF技术制造的家用净 水器，通过MF膜的过滤 不仅能有效去除水中的铁 锈、泥沙等肉眼可见物， 还能截留住水中的细菌、