超濾膜

      (1) 超濾原理 超濾是一種分離技術，能夠將溶液凈化、分離或者濃縮。超濾是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑范圍為0.5μm（接近微濾）~1nm（接近納濾）。超濾的典型應用是從溶液中分離大分子物質（如細菌）和膠體，通常認為，所能分離的溶質相對分子質量下限為幾千。超濾膜可視為多孔膜，其截留取決于膜的過濾孔徑和溶質的大小、形狀。溶劑的傳遞正比于操作壓力。
      (2) 超濾膜的類型 超濾膜是多孔的，但與微濾膜相比，其結構更具有不對稱性，這種不對稱膜包括一個很薄的皮層（一般＜1μm）和一個多孔亞層。所以超濾膜的表征主要是皮層表征即厚度。孔徑分布和表面孔隙率，超濾膜皮層典型的孔徑在2~100nm范圍內。
按制膜材料分類，超濾膜可分為有機膜和無機膜。
按膜的外形特征可將超濾膜分為：平板膜、管式超濾膜，內徑＞10nm、毛細管式超濾膜，內徑0.5~10.0nm、中空纖維超濾膜，內徑＜0.5nm、多孔超濾膜。
      (3)制膜材料 可用于制造超濾膜的材料很多，分為有機高分子材料和無機材料兩大類。
      ①有機高分子材料
      纖維素酯類：主要有二醋酸纖維素（CA），三醋酸纖維素（CTA），混合纖維素（CACN）等。這類材料制造的超濾膜親水性好、成孔性好，材料來源廣泛、穩定，成本較低。但這種材料耐酸堿性能差。
      聚砜類如聚砜（PS）和磺化聚砜（SPS）和聚醚砜（PES）等；用這種材料制膜，易成型，膜機械強度好，耐熱、耐化學性能也較好。是目前用得較多的材料。
聚烯烴類：主要是聚丙烯（PP）和聚丙烯腈（PAN）。同聚砜相似。它的機械和化學性能較好。PAN的腈基是強極性基因，但PAN并不十分親水，通常引入另一種共聚單體（如醋酸乙烯酯或甲基丙烯酸甲酯），以增加鏈的柔韌性和親水性，從而改變其加工性。
      氟材料：目前主要用的是聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTEE），這種材料的超濾膜具有極優良的機械強度和耐高溫、耐化學侵蝕性性能，使用溫度40~260℃，可在強酸、強堿和多種有機溶劑條件下使用，但成本很高。
      聚氯乙烯（PVC）：這種材料制造的超濾膜具有優良的機械強度和極佳的化學侵蝕性性能，材料來源廣泛、穩定，成本適中，可以制造出優良的超濾膜，尤其是可以制造出在跨膜壓差很低的條件下，單位膜面積產水量卻很高的超濾膜。
      其他材料：除上述材料外，還有聚砜酰胺、聚醚酮、聚脂肪酰胺、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺等。
      ② 無機材料：這是近幾年來開發的新型制膜材料，主要有陶瓷、玻璃、氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO2）和金屬，目前國內還處于實驗室研究階段，尚未商品化生產，這種材質的超濾膜最突出的優點是耐高溫，耐有機溶劑性能好，不易老化，可再生性強，適用于特種分離。
      (3) 超濾膜的保存方法 膜制成成品后，需要對其進行保存，膜保存的方法有濕態和干態兩種，其目的是為防止膜水解、微生物侵蝕、凍結及收縮變型、膜失效等。
      ① 膜的濕態保存方法：保存濕態膜最主要的一點就是始終讓膜呈現濕潤狀態。一般常用膜保存液的配方為：
水﹕甘油﹕亞硫酸氫鈉=79.1﹕20﹕0.9
保存液溫度在5~40℃.亞硫酸氫鈉的作用是防止微生物在膜表面繁殖及侵蝕膜。甘油的目的為了降低保存液的冰點。防止因結冰而損壞膜，配方中的亞硫酸氫鈉可用戊二醛、硫酸銅等其他對膜無傷害的抑菌劑代替。
      對醋酸纖維素膜，pH值在4.5~5，可降低膜的水解速度，一般在抽真空的條件下，保存液的有效期為1年。
濕態膜會由于脫水產生收縮變形現象，使膜孔大幅度縮小，或使膜結構遭到破壞，同時使膜的質地變脆，甚至使膜的過濾作用完全失效。
      ② 干態膜的保存方法 目前商品化的超濾膜，基本上都是干態膜的形式。因為這不僅有利于存放和運輸，而且也是制作膜組件所必需的（封膠時要求膜是干態）。
制備干態膜，普遍采用脫水劑，Van Oss等, 用50%的甘油水溶液或0.1%的十二烷基磺酸鈉（SDS）水溶液浸漬醋酸纖維素超濾膜1h，然后進行干燥處理，使用前需洗凈浸漬液。
現在常用的干化處理液的配方為：
水﹕甘油﹕SDS=97.2﹕20﹕0.2
      膜置于其中浸漬5～6天后在一定的溫度環境中干燥。
      (5)超濾膜的結構特點 目前商品化的超濾膜都是不對稱膜，由致密的表皮層和多孔的支撐層構成。皮層的厚度約為0.1～0.25μm，多孔支撐層的厚度約為100～250μm，而多孔支撐層在靠近皮層部分是具有微細孔結構的過渡層，最下層是具有較大孔徑的支持層。
      (6)超濾膜的表征 膜的特征分為外觀表征及性能表征。外觀表征是指膜的厚度、皮層結構等，性能表征是指膜的理化性能和分離透過性能。膜的理化性能主要包括膜的結構強度、耐化學性、耐熱溫度范圍和適用pH值范圍，分離透過性能主要是指透水速率和截留分子量、截留率等。
      ① 厚度：在其他表征相同的條件下，其厚度越小，通量越大，壓損越小，支撐層的厚度的大小，取決于膜的強度和剛性。
      ② 膜內徑：對管式膜而言，膜的內徑與厚度的比值直接影響了膜的強度和剛性，它的大小也是區分管式膜、毛細管膜及中空纖維膜的主要依據，也是決定單位體積內膜充填密度的主要因素。
      ③ 支撐層結構：一般有兩種類型，指狀孔結構和海綿狀結構，指狀孔結構阻力小，海綿狀結構強度高。
      ④ 膜孔徑：超濾膜孔徑一般為0.05μm～1nm。
      ⑤ 截留能力：通常用截留分子量（90% 能被膜截留的分子量）來表示，膜的截留值通常以絕對方式給出。（某膜的截留分子量為10000萬，即為分子量大于10000萬的所有物質90% 以上被截留）。當分子量一定時，剛性分子較之柔性分子、球形和側鏈分子較直線型分子有更大的截留值。
      ⑥ 孔徑分布：孔徑分布的范圍是表征膜孔徑是否均勻的一種方法，孔徑分布越窄，分離效果和抗污染性越好。
      ⑦ 空隙率：對于非對稱膜而言，存在著兩種空隙率，分離層空隙率和整體空隙率，目前測定的方法，所測定的結果實際上是整體空隙率，而影響分離效果的是分離層空隙率。
      ⑧ 過濾速率：一般超濾膜的透過能力，以純水的透過速率表示，并標明測定條件，實際應用中膜的過濾速率比它小得多，其原因是濃差極化和膜污染，增加了過濾時的流體阻力，水流速度、壓力、溫度、原水預處理程度均影響超濾的速率。
      ⑨ 抗污染能力：膜的抗污染能力決定于膜材料的物理和化學特性和分離體等物化特性之間的關系。對于水溶液體系來說，親水性膜的抗污染性比疏水性膜好。
      (7) 密封 中空纖維及毛細管膜器件的密封主要在它們之間端頭環氧密封及端頭環氧與外殼間的密封，可采用通常的橡膠密封墊圈等方法密封。
      (8) 外殼 常用的膜過濾器可分為兩種：衛生過濾用外殼和工業過濾用外殼。外殼要求能承受工作壓力，一定的防碰撞能力。常用的外殼材料有：不銹鋼、ABC、UPVC、玻璃鋼等。
      (9) 外接口與連接 膜組件與應用工程中的工藝管線，配套設備的接口以及與自控儀表閥門等相連接的部位叫外接口。大部分的超濾膜組件都有三個外接口，即原水入口、出水口和濃水出口，其連接方式視具體情況而定。一般可分為可拆卸連接和不可拆卸連接。可拆卸的連接有螺紋連接、快裝連接、活接等，不可拆卸的連接有焊接、粘接等。
      (10) 超濾膜的清洗 超濾膜在使用一段時間后，由于被截留物對膜表面的污染會使膜的產水量下降，為了維持膜通量的穩定，必須定期對膜進行清洗，每次30秒～60秒。化學清洗間隔時間相對物理清洗時間長。一般最短的間隔為1天，最長的間隔時間為6個月。對有機物的清洗一般采用堿液清洗，蛋白質采用酶劑, 細菌、微生物, 藻類采用過氧化氫、次氯酸鈉等氧化劑進行清洗。