膜 处 理 新 技 术
—— 膜分离过程
膜技术发展简史
18世纪初，人们就已经注意到了膜分离现象；
19世纪末 20世纪初，细致深入地了解了渗透现象；
20世纪 50年代,Juda成功试制了高选择透过性阴阳离子交换膜，使
得电渗析 (ED)进入实用；微滤也进入工业化阶段；
60年代,Loeb和 Sourirajan制备了不对称反渗透膜，使得反渗透技术
在海水淡化技术进入了实用阶段；
70年代，超滤技术；
80年代，气体分离；
90年代，渗透蒸发；超低压反渗透膜得以研制成功 ……
膜分离技术特点使其受到广泛重视，发展迅速。
21世纪将是膜技术全面发展的阶段，对工业技术的改造将起到深远
的影响。
水处理领域的膜分离技术
饮用水
工业用水
工业废水
市政污水
膜的 分类
膜的定义
膜是分离两相和选择性传递物质的屏障。
膜的分类
? 按膜的结构分类
? 按化学组成分类
? 按分离机理分类
? 按几何形状分类
按膜的结构分类
按化学组成分类
有
机
材
料
纤维素类 二醋酸纤维素 /三醋酸纤维素 /醋酸丙酸纤维素 /硝酸纤维素
聚酰胺类 尼龙 — 66，芳香聚酰胺，芳香聚酰胺酰肼等
芳香杂环类 聚哌嗪酰胺，聚酰亚胺，聚苯并咪唑，聚苯并咪唑酮等
聚砜类 聚砜，聚醚砜，磺化聚砜，磺化聚醚枫等
聚烯烃类 聚乙烯，聚丙烯，聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚丙烯酸等
硅橡胶类 聚二甲基硅氧烷 /聚三甲基硅烷丙炔 /聚乙烯基三甲基硅烷
含氟聚合物 聚全氟磺酸，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯等
其他 聚碳酸酷，聚电解质
无
机
材
料
陶瓷 氧化铝，氧化硅，氧化锆等
玻璃 硼酸盐玻璃
金属 铝、钯、银等
按分离机理分类
膜过程 分离体系相 1 相 2 推动力 分离机理 渗透物 截留物
微滤 L L 压力差 (0.01 ~ 0.2MPa) 筛分 水、溶剂、溶解物 悬浮物、颗粒、纤维和细菌 (0.01 ~ 10μm)
超滤 L L 压力差 (0.1 ~ 0.5MPa) 筛分 水、溶剂、离子和小分子 (分子量＜ 1000)
生化制品、胶体和大
分子 (分子量 1000 ~
300000)
纳滤 L L 压力差 (0.5 ~ 2.5MPa) 筛分 +溶解 /扩散 水和溶剂 (分子量＜200)
溶质、二价盐、糖和
染料 (分子量 200 ~
1000)
反渗透 L L 压力差 (1.0 ~ 10.0MPa) 溶解 /扩散 水和溶剂 全部悬浮物、溶质和盐
电渗析 L L 电位差 离子交换 电解离子 非解离和大分子物质
渗析 L L 浓度差 扩散 离子、低分子量有机质、酸和碱 分子最大于 1000的溶解物和悬浮物
① 分离体系中 L表示液相, G表示气相或蒸汽
按分离机理分类
渗
透
蒸发 LG 分压差 溶解 /扩散
溶质或溶剂 (易
渗透组分的蒸气 ) 溶质或溶剂 (难渗透组分的液体 ) 复合膜和均质膜
膜
蒸馏 LL温度差 气 -液平衡
溶质或溶剂 (易
汽化与渗透的组分 ) 溶质或溶剂 (难汽化与渗透的组分 ) 多孔膜
气
体
分离 GG
压力差 (1.0 ~
10.0 MPa),浓度
差 (分压差 )
溶解 /扩散 易渗透的气体和蒸气 难渗透的气体和蒸气 复合膜和均质膜
液膜 LL化学反应与浓度 差 反应促进和 扩散传递 电解质离子 非电解质离子 载体膜
膜
接
触器
LL
GL
LG
浓度差
浓度差 (分压差 )
浓度差 (分压差 )
分配系数 易扩散与渗透的物质 难扩散与渗透的物质 多孔膜和无孔膜
① 分离体系中 L表示液相, G表示气相或蒸汽
膜分离的定义和分类
膜分离的定义
膜分离的分类
1,反渗透和纳滤
2,超滤 和 微滤
3,渗析和电渗析
4,载体促进传递
5,渗透汽化
6,膜精馏和膜萃取
7,气体分离
反渗透原理
膜的迁移方程
－ 优先吸附－毛细孔流理论
)(
)(
0 pE X PAA
A
A
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W
W
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?
????
?
?
??
温度恒定时，
常数；压力恒定时，
大小与条件有关
下，渗透通量在没有溶质透过的情况
浓度。－溶剂在渗透产物中的
膜表面的浓度；－溶剂在膜的料液侧的
体溶液中的浓度；溶剂在膜的料液侧的主－
溶质通量
3
2
1
32 )(
C
C
C
CC
K
D
CBJ AMSS ????
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反渗透膜与纳滤膜及其组件
I,高压反渗透膜
II,低压反渗透膜
III,超低压反渗透膜
反渗透和纳滤应用
?反渗透与纳滤工艺流程
?反渗透
1,水纯化
2,溶质浓缩
?纳滤
1,溶质浓缩
反渗透和纳滤应用
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超滤 (Ultrafiltration,UF)
? 历史
1861年, Schmidt用牛心包膜截留阿拉伯胶, 可作为世界上第一
次超滤试验 。
1963年, Michaels开发了不同孔径的不对称 CA超滤膜 。
1965— 1975年是超滤工艺大发展的阶段：
?膜材料从初期的不对称 CA膜扩大到现在的聚砜 (PSF)、
聚丙烯腈 (PAN),聚醚砜 (PES)以及各种高分子合金膜等；
?膜组件有板式, 卷式和中空纤维式等；
?超滤膜的孔径范围在 1— 50nm,能从水溶液中分离分子
量大于数千的大分子和胶体物质 。
?超滤原理
?膜结构：
超滤膜多为不对称结构，由一层极薄 (通常小于 1μm)
并具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚 (通常为
125μm左右 )并具备海绵状或指状结构的多孔层组成。
前者起分离作用，后者起支撑作用。
?“筛分”理论
膜的截留效果取决于膜的孔径大小。
?比较全面的解释
在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学
性质等将分别起着不同的截留作用。
?超滤膜
?超滤膜的性能指标
主要有以下两个：
①渗透通量：纯水渗透速率
(一般在 0.1~0.3MPa下测定 )；
② 截留率：截留分子量曲线 。
另外, 超滤膜的耐压性, 耐清洗性,
耐温性等性能对于工业应用也是非常
重要的 。
?制备方法
目前商品化的有机材质的超滤膜
都是采用相转化法制得的，所采
用的材质有磺化聚砜、聚砜、聚
偏氟乙烯、纤维素类、聚丙烯腈、
磺化聚醚砜、聚醚砜、聚酰胺、
聚醚酮。此外还有陶瓷超滤膜，
主要是由 Al2O3,ZrO2用 Sol— Gel
法制得。
?超滤操作工艺
?重过滤操作
用于大分子和小分子的分离 。
?间歇操作
常用于小规模生产 。
?连续式操作
常用于大规模生产 。 连续式操作时组件的
配置有单级和多级两类 。
?超滤应用
超滤在需将尺寸较大的分子或微粒与低分子物质或溶剂分离的领
域得到了广泛应用。超滤装置可单独运行，也可与其他处理设备
结合应用于各种分离过程。
超滤浓缩的优点是无相变、一般不需加热、工序简单、适用 pH
范围宽和防止失活等，很适于热敏性物质的分离浓缩。
主要应用在以下领域：
?工业废水处理；
?城市污水处理；如资源化应用。
?饮用水的生产；
?高纯水的制备；
?生物制剂的提纯；
?食品工业；
?医药工业。
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微滤 (Microfiltration,MF)
?概述
1907年 Bechhold制得系列化多孔火棉胶膜 。
二战后美国的 Sartorius公司制得 CN膜, 应用于微生物污染检测, 之后发
展为 Millipore公司 。
60年代后微滤工艺的大发展：
?随着聚合物材料的开发, 膜品种扩大；
?制膜工艺从完全挥发相转化, 扩大到凝胶相转化, 控制拉伸致孔, 核
辐照刻蚀致孔等；
?孔径范围从 0.1μm至 75μm系列化；
?组件形式从单一的膜片滤器到褶筒式, 板式, 中空纤维式和卷式等；
?应用范围从实验室的微生物检测迅速发展到制药, 医疗, 饮料, 生物
工程, 超纯水, 饮用水, 石化, 环保, 废水处理和分析检测等广阔的领
域 。
?微滤原理
微滤又称为精过滤, 其基本原理属于 筛网状过滤 (物理截留 )。
除此以外, 还有 膜表面层的吸附截留和架桥截留, 以及 膜内
部的网络中截留, 如图 7所示 。
通过微滤膜的体积通量可由 Darcy定律描述,J＝ AΔp
渗透常数 A决定于渗透液粘度和膜的厚度, 孔隙率, 孔径及其分布等因
素 。
若膜由直的毛细管构成, 根据 Hagen— Poiseulle关系式计算：
若膜是球形颗粒的聚集体, 根据 Kozenry— Carman公式计算：
以上两式中, ε—— 孔隙率； r—— 孔半径；
ΔX—— 膜厚； η—— 动力学粘度；
τ—— 弯曲因子；
K—— 与孔几何形状有关的无因次常数；
S—— 单位体积中球颗粒的表面积 。
因此, 为了使微滤膜性能得到优化, 应尽可能使膜表面孔隙率高,
孔径分布窄 。
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x
rA
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?
8
2
? 死端过滤 ? 错流过滤
?微滤操作工艺
?对于含固量低于 0.1%的物料通常采用死端过滤；
?在分离含固量在 0.1%一 0.5%的料液时，通常要对料液进行预
处理或在膜面上加玻璃纤维的预过滤装置；
?对含固量高于 0.5％的料液通常采用错流过滤操作。
?微滤膜
目前市场上的微滤膜的材质可分为有机和无机两大类 。
有机材质
主要将聚合物通过相转化, 拉伸, 烧结, 径迹刻蚀等方法制
备 。 迄今为止, 已用于制备微孔膜的聚合物有纤维素, 聚碳酸
酯, 聚酰胺, 聚砜, 聚醚砜, 聚醚酰亚胺, 聚氯乙烯, 聚乙烯,
聚丙烯, 聚四氟乙烯等 。
陶瓷, 金属等无机材料
无机膜有良好的化学和热稳定性, 而且它的孔径可以被很好
地控制, 孔径分布通常较窄 。 比较重要的制备方法有烧结, 溶
胶 -凝胶, 阳极氧化 。 目前主要用氧化铝, 氧化锆制备陶瓷膜 。
?微滤应用
工业上, 微滤主要用于将大于 0.1μm的粒子与溶液分开的
场合 。
制药行业的除菌过滤；
电子工业用高纯水的制备；
食品工业；
在各种与生物, 生理有关的分析中对细胞的捕获, 各种颗粒的富集；
饮用水生产和城市污水处理成为微滤过程的两个潜在的大市场；
最新的应用领域是生物技术和生物医学技术领域 。
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膜组件
板框式膜组件
卷式膜组件
管式膜组件
毛细管膜组件
中空纤维膜组件
?板框式膜组件
板框式膜组件的基本部件是：平板膜, 支撑盘, 间隔盘 。
三种部件以图 40所示的顺序相互交替, 重叠, 压紧 。
板框式膜组件
突出优点是操作灵活，其主
要特点有：
① 可以简单地增加膜的层数
实现增大处理量；
② 组装简单、坚固，对压力
变动和现场作业的可靠性较
大；
③ 每两片膜之间的渗透物都
是被单独地引出来的，可以
通过关闭个别膜对来消除操
作中的故障，而不必使整个
组件停止运行。
缺点是：
① 板框式膜组件中需要
个别密封的数目太多,
因此装置越大对各零部
件的加工精度要求也就
越高, 尽管组件结构简
单, 但成本较高；
② 装 填 密 度 仅 能 达 到
100— 400m2/m3。
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?卷式膜组件
卷式膜组件是由美国 GulfGeneral Atomic公司于 1964年研制成功的,
是目前反渗透, 超滤及气体分离过程中最重要的膜组件形式, 也有
少量用于渗透汽化过程 。
对于不同的处理对象，可对卷式膜组件的结构作相应的改进。
由于螺旋卷式膜组件的
结构简单、造价低廉、
装填密度较高 (可达
1000m2/m3)，同时还具
有一定的抗污染性，所
以尽管它也有明显的缺
点 (如不易清洗 )，但还
是取得了很大的成功。
目前在反渗透领域占据
了大部分市场份额 (高达
75％左右 )，在超滤与气
体分离过程中也占有重
要的地位。
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?管式膜组件
管式膜组件是由圆管式的膜
及膜的支撑体构成 (不包括毛
细管式膜和中空纤维膜 )。由
于膜本身的强度不高，因此
在压力下工作时需要具有良
好透水性和高强度的材料来
支撑。当膜处于支撑管的内
壁或外壁时，分别构成了内
压管式和外压管式组件。多
数场合下分离皮层在膜的内
侧，管状膜直径在 6— 24mm。
陶瓷管式膜多采用一种特
殊的蜂窝结构，在这种结
构中，陶瓷载体中开有若
干个孔，用溶胶 — 凝胶法
在这些管的内表面制备分
离皮层，如图 45所示为管
式膜蜂窝结构截面。
管式膜的流道较大，对料液中杂质含量的要求不高，可用于处
理高固含量的料液。膜面的清洗不仅可以用化学方法，而且也
可以用海绵球之类的机械清洗方法。为了改进流动状态，还可
以安装湍流促进器。管式膜组件的进料体积通量较大，通常需
要弯头连接 (压力损失较大 )，装填密度不高 (＜ 300m2/m3)。
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?毛细管膜组件
毛细管膜组件的结构类似于管式膜。由于膜的孔径较小 (0.5— 6mm)，能
承受高压，所以不用支撑管。通常将很多的毛细管按图 47的方式安装在
一个组件中。毛细管膜的自由端一般用环氧树脂、聚氨酯和硅橡胶封装。
如图 47。
毛细管式膜组件的运行方式有
两种：
① 料液流经毛细管管内, 在
毛细管外侧收集渗透物；
② 原料液从毛细管外侧进入
组件, 渗透物从毛细管管内流
出 。
这两种方式的选择取决于具体
应用场合 。
毛细管式膜组件装填密度较
大 (600— 1200m2/m3)，制造
费用低，但压缩强度较小，
在多数情况下料液的流动为
层流。目前用于超滤、渗析、
渗透汽化过程以及某些气体
渗透过程 (通过在渗透侧制造
真空，在进料边保持环境压
力来实现推动力的工艺情况 )。
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中空纤维膜组件与毛细管膜组件的形式相同, 差别在于膜的规
格不同 。 通常中空纤维的外径约 40－ 250μm,外径与内径之
比为 2 ~ 4。
根据下式, 膜的耐压强度决定于外径和内径之比, 与管壁的绝
对厚度无关 。
式中, K是材料的抗拉强度； r是管径 。 中空纤维具有较大的外
径内径之比, 因而具有较大的耐压性 。
?中空纤维膜组件
)1( ??
in
out
r
rKP
?组件形式
污染和浓差极化对中空纤维膜分离性能产生很大的影响, 通过改
变流动方式可以改善膜的污染和浓差极化现象 。
对于皮层在外侧的中空纤维, 根据料液流动方式可把组件分为三
种：
① 轴流式；
② 放射流式；
③ 纤维卷筒式 。
后两种组件中料液相对于中空纤维作横向流动，这种流动强化了
边界层的传质过程。
?特点
中空纤维最主要的优点是装填密
度 很 高, 可达 16000—
30000m2/m3,对反渗透, 气体
分离, 膜接触器, 液膜等单位面
积渗透通量很小的过程是非常有
利的 。 但它也有许多缺点：
① 清洗困难, 只能采用化学清
洗；
② 中空纤维膜一旦损坏无法更
换；
③ 液体在管内流动时阻力很大,
导致压力损失较大 。
?适用场合
目前中空纤维膜主要用于
反渗透、气体分离、膜接
触器、液膜以及超滤和渗
析等领域。
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膜组件系统设计
基本操作方式
膜组件的连接方式
多级装置的连接
?基本操作方式
膜分离系统按其基本
操作方式可分为两类：
① 单程系统；
② 循环系统 。
在单程系统中原料液
仅通过单一或多种膜
组件一次；而在循环
系统中，原料液通过
泵加压多次流过每一
级。
?膜组件的连接方式
?多级装置的连接
如果单级膜分离装置不能获得合乎要求的产物，截留物或渗透物必须
在第二级中进一步处理。这种系统被称为多级装置 (膜级联 )。
通常膜过程的级联装置分为无回流和有回流两大类，可利用图解和数
值计算的方法确定级联式膜装置级数和梯级尺寸。是否采用循环回流
取决于各段的截留物与渗出物中组分是否有回收的价值。这是因为不
带再循环会造成产物损失，而带有再循环需要较高的投资和操作费用。
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—— 膜分离过程
膜技术发展简史
18世纪初，人们就已经注意到了膜分离现象；
19世纪末 20世纪初，细致深入地了解了渗透现象；
20世纪 50年代,Juda成功试制了高选择透过性阴阳离子交换膜，使
得电渗析 (ED)进入实用；微滤也进入工业化阶段；
60年代,Loeb和 Sourirajan制备了不对称反渗透膜，使得反渗透技术
在海水淡化技术进入了实用阶段；
70年代，超滤技术；
80年代，气体分离；
90年代，渗透蒸发；超低压反渗透膜得以研制成功 ……
膜分离技术特点使其受到广泛重视，发展迅速。
21世纪将是膜技术全面发展的阶段，对工业技术的改造将起到深远
的影响。
水处理领域的膜分离技术
饮用水
工业用水
工业废水
市政污水
膜的 分类
膜的定义
膜是分离两相和选择性传递物质的屏障。
膜的分类
? 按膜的结构分类
? 按化学组成分类
? 按分离机理分类
? 按几何形状分类
按膜的结构分类
按化学组成分类
有
机
材
料
纤维素类 二醋酸纤维素 /三醋酸纤维素 /醋酸丙酸纤维素 /硝酸纤维素
聚酰胺类 尼龙 — 66，芳香聚酰胺，芳香聚酰胺酰肼等
芳香杂环类 聚哌嗪酰胺，聚酰亚胺，聚苯并咪唑，聚苯并咪唑酮等
聚砜类 聚砜，聚醚砜，磺化聚砜，磺化聚醚枫等
聚烯烃类 聚乙烯，聚丙烯，聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚丙烯酸等
硅橡胶类 聚二甲基硅氧烷 /聚三甲基硅烷丙炔 /聚乙烯基三甲基硅烷
含氟聚合物 聚全氟磺酸，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯等
其他 聚碳酸酷，聚电解质
无
机
材
料
陶瓷 氧化铝，氧化硅，氧化锆等
玻璃 硼酸盐玻璃
金属 铝、钯、银等
按分离机理分类
膜过程 分离体系相 1 相 2 推动力 分离机理 渗透物 截留物
微滤 L L 压力差 (0.01 ~ 0.2MPa) 筛分 水、溶剂、溶解物 悬浮物、颗粒、纤维和细菌 (0.01 ~ 10μm)
超滤 L L 压力差 (0.1 ~ 0.5MPa) 筛分 水、溶剂、离子和小分子 (分子量＜ 1000)
生化制品、胶体和大
分子 (分子量 1000 ~
300000)
纳滤 L L 压力差 (0.5 ~ 2.5MPa) 筛分 +溶解 /扩散 水和溶剂 (分子量＜200)
溶质、二价盐、糖和
染料 (分子量 200 ~
1000)
反渗透 L L 压力差 (1.0 ~ 10.0MPa) 溶解 /扩散 水和溶剂 全部悬浮物、溶质和盐
电渗析 L L 电位差 离子交换 电解离子 非解离和大分子物质
渗析 L L 浓度差 扩散 离子、低分子量有机质、酸和碱 分子最大于 1000的溶解物和悬浮物
① 分离体系中 L表示液相, G表示气相或蒸汽
按分离机理分类
渗
透
蒸发 LG 分压差 溶解 /扩散
溶质或溶剂 (易
渗透组分的蒸气 ) 溶质或溶剂 (难渗透组分的液体 ) 复合膜和均质膜
膜
蒸馏 LL温度差 气 -液平衡
溶质或溶剂 (易
汽化与渗透的组分 ) 溶质或溶剂 (难汽化与渗透的组分 ) 多孔膜
气
体
分离 GG
压力差 (1.0 ~
10.0 MPa),浓度
差 (分压差 )
溶解 /扩散 易渗透的气体和蒸气 难渗透的气体和蒸气 复合膜和均质膜
液膜 LL化学反应与浓度 差 反应促进和 扩散传递 电解质离子 非电解质离子 载体膜
膜
接
触器
LL
GL
LG
浓度差
浓度差 (分压差 )
浓度差 (分压差 )
分配系数 易扩散与渗透的物质 难扩散与渗透的物质 多孔膜和无孔膜
① 分离体系中 L表示液相, G表示气相或蒸汽
膜分离的定义和分类
膜分离的定义
膜分离的分类
1,反渗透和纳滤
2,超滤 和 微滤
3,渗析和电渗析
4,载体促进传递
5,渗透汽化
6,膜精馏和膜萃取
7,气体分离
反渗透原理
膜的迁移方程
－ 优先吸附－毛细孔流理论
)(
)(
0 pE X PAA
A
A
pAJ
W
W
???
?
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?
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温度恒定时，
常数；压力恒定时，
大小与条件有关
下，渗透通量在没有溶质透过的情况
浓度。－溶剂在渗透产物中的
膜表面的浓度；－溶剂在膜的料液侧的
体溶液中的浓度；溶剂在膜的料液侧的主－
溶质通量
3
2
1
32 )(
C
C
C
CC
K
D
CBJ AMSS ????
?
反渗透膜与纳滤膜及其组件
I,高压反渗透膜
II,低压反渗透膜
III,超低压反渗透膜
反渗透和纳滤应用
?反渗透与纳滤工艺流程
?反渗透
1,水纯化
2,溶质浓缩
?纳滤
1,溶质浓缩
反渗透和纳滤应用
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超滤 (Ultrafiltration,UF)
? 历史
1861年, Schmidt用牛心包膜截留阿拉伯胶, 可作为世界上第一
次超滤试验 。
1963年, Michaels开发了不同孔径的不对称 CA超滤膜 。
1965— 1975年是超滤工艺大发展的阶段：
?膜材料从初期的不对称 CA膜扩大到现在的聚砜 (PSF)、
聚丙烯腈 (PAN),聚醚砜 (PES)以及各种高分子合金膜等；
?膜组件有板式, 卷式和中空纤维式等；
?超滤膜的孔径范围在 1— 50nm,能从水溶液中分离分子
量大于数千的大分子和胶体物质 。
?超滤原理
?膜结构：
超滤膜多为不对称结构，由一层极薄 (通常小于 1μm)
并具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚 (通常为
125μm左右 )并具备海绵状或指状结构的多孔层组成。
前者起分离作用，后者起支撑作用。
?“筛分”理论
膜的截留效果取决于膜的孔径大小。
?比较全面的解释
在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学
性质等将分别起着不同的截留作用。
?超滤膜
?超滤膜的性能指标
主要有以下两个：
①渗透通量：纯水渗透速率
(一般在 0.1~0.3MPa下测定 )；
② 截留率：截留分子量曲线 。
另外, 超滤膜的耐压性, 耐清洗性,
耐温性等性能对于工业应用也是非常
重要的 。
?制备方法
目前商品化的有机材质的超滤膜
都是采用相转化法制得的，所采
用的材质有磺化聚砜、聚砜、聚
偏氟乙烯、纤维素类、聚丙烯腈、
磺化聚醚砜、聚醚砜、聚酰胺、
聚醚酮。此外还有陶瓷超滤膜，
主要是由 Al2O3,ZrO2用 Sol— Gel
法制得。
?超滤操作工艺
?重过滤操作
用于大分子和小分子的分离 。
?间歇操作
常用于小规模生产 。
?连续式操作
常用于大规模生产 。 连续式操作时组件的
配置有单级和多级两类 。
?超滤应用
超滤在需将尺寸较大的分子或微粒与低分子物质或溶剂分离的领
域得到了广泛应用。超滤装置可单独运行，也可与其他处理设备
结合应用于各种分离过程。
超滤浓缩的优点是无相变、一般不需加热、工序简单、适用 pH
范围宽和防止失活等，很适于热敏性物质的分离浓缩。
主要应用在以下领域：
?工业废水处理；
?城市污水处理；如资源化应用。
?饮用水的生产；
?高纯水的制备；
?生物制剂的提纯；
?食品工业；
?医药工业。
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微滤 (Microfiltration,MF)
?概述
1907年 Bechhold制得系列化多孔火棉胶膜 。
二战后美国的 Sartorius公司制得 CN膜, 应用于微生物污染检测, 之后发
展为 Millipore公司 。
60年代后微滤工艺的大发展：
?随着聚合物材料的开发, 膜品种扩大；
?制膜工艺从完全挥发相转化, 扩大到凝胶相转化, 控制拉伸致孔, 核
辐照刻蚀致孔等；
?孔径范围从 0.1μm至 75μm系列化；
?组件形式从单一的膜片滤器到褶筒式, 板式, 中空纤维式和卷式等；
?应用范围从实验室的微生物检测迅速发展到制药, 医疗, 饮料, 生物
工程, 超纯水, 饮用水, 石化, 环保, 废水处理和分析检测等广阔的领
域 。
?微滤原理
微滤又称为精过滤, 其基本原理属于 筛网状过滤 (物理截留 )。
除此以外, 还有 膜表面层的吸附截留和架桥截留, 以及 膜内
部的网络中截留, 如图 7所示 。
通过微滤膜的体积通量可由 Darcy定律描述,J＝ AΔp
渗透常数 A决定于渗透液粘度和膜的厚度, 孔隙率, 孔径及其分布等因
素 。
若膜由直的毛细管构成, 根据 Hagen— Poiseulle关系式计算：
若膜是球形颗粒的聚集体, 根据 Kozenry— Carman公式计算：
以上两式中, ε—— 孔隙率； r—— 孔半径；
ΔX—— 膜厚； η—— 动力学粘度；
τ—— 弯曲因子；
K—— 与孔几何形状有关的无因次常数；
S—— 单位体积中球颗粒的表面积 。
因此, 为了使微滤膜性能得到优化, 应尽可能使膜表面孔隙率高,
孔径分布窄 。
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? 死端过滤 ? 错流过滤
?微滤操作工艺
?对于含固量低于 0.1%的物料通常采用死端过滤；
?在分离含固量在 0.1%一 0.5%的料液时，通常要对料液进行预
处理或在膜面上加玻璃纤维的预过滤装置；
?对含固量高于 0.5％的料液通常采用错流过滤操作。
?微滤膜
目前市场上的微滤膜的材质可分为有机和无机两大类 。
有机材质
主要将聚合物通过相转化, 拉伸, 烧结, 径迹刻蚀等方法制
备 。 迄今为止, 已用于制备微孔膜的聚合物有纤维素, 聚碳酸
酯, 聚酰胺, 聚砜, 聚醚砜, 聚醚酰亚胺, 聚氯乙烯, 聚乙烯,
聚丙烯, 聚四氟乙烯等 。
陶瓷, 金属等无机材料
无机膜有良好的化学和热稳定性, 而且它的孔径可以被很好
地控制, 孔径分布通常较窄 。 比较重要的制备方法有烧结, 溶
胶 -凝胶, 阳极氧化 。 目前主要用氧化铝, 氧化锆制备陶瓷膜 。
?微滤应用
工业上, 微滤主要用于将大于 0.1μm的粒子与溶液分开的
场合 。
制药行业的除菌过滤；
电子工业用高纯水的制备；
食品工业；
在各种与生物, 生理有关的分析中对细胞的捕获, 各种颗粒的富集；
饮用水生产和城市污水处理成为微滤过程的两个潜在的大市场；
最新的应用领域是生物技术和生物医学技术领域 。
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膜组件
板框式膜组件
卷式膜组件
管式膜组件
毛细管膜组件
中空纤维膜组件
?板框式膜组件
板框式膜组件的基本部件是：平板膜, 支撑盘, 间隔盘 。
三种部件以图 40所示的顺序相互交替, 重叠, 压紧 。
板框式膜组件
突出优点是操作灵活，其主
要特点有：
① 可以简单地增加膜的层数
实现增大处理量；
② 组装简单、坚固，对压力
变动和现场作业的可靠性较
大；
③ 每两片膜之间的渗透物都
是被单独地引出来的，可以
通过关闭个别膜对来消除操
作中的故障，而不必使整个
组件停止运行。
缺点是：
① 板框式膜组件中需要
个别密封的数目太多,
因此装置越大对各零部
件的加工精度要求也就
越高, 尽管组件结构简
单, 但成本较高；
② 装 填 密 度 仅 能 达 到
100— 400m2/m3。
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?卷式膜组件
卷式膜组件是由美国 GulfGeneral Atomic公司于 1964年研制成功的,
是目前反渗透, 超滤及气体分离过程中最重要的膜组件形式, 也有
少量用于渗透汽化过程 。
对于不同的处理对象，可对卷式膜组件的结构作相应的改进。
由于螺旋卷式膜组件的
结构简单、造价低廉、
装填密度较高 (可达
1000m2/m3)，同时还具
有一定的抗污染性，所
以尽管它也有明显的缺
点 (如不易清洗 )，但还
是取得了很大的成功。
目前在反渗透领域占据
了大部分市场份额 (高达
75％左右 )，在超滤与气
体分离过程中也占有重
要的地位。
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?管式膜组件
管式膜组件是由圆管式的膜
及膜的支撑体构成 (不包括毛
细管式膜和中空纤维膜 )。由
于膜本身的强度不高，因此
在压力下工作时需要具有良
好透水性和高强度的材料来
支撑。当膜处于支撑管的内
壁或外壁时，分别构成了内
压管式和外压管式组件。多
数场合下分离皮层在膜的内
侧，管状膜直径在 6— 24mm。
陶瓷管式膜多采用一种特
殊的蜂窝结构，在这种结
构中，陶瓷载体中开有若
干个孔，用溶胶 — 凝胶法
在这些管的内表面制备分
离皮层，如图 45所示为管
式膜蜂窝结构截面。
管式膜的流道较大，对料液中杂质含量的要求不高，可用于处
理高固含量的料液。膜面的清洗不仅可以用化学方法，而且也
可以用海绵球之类的机械清洗方法。为了改进流动状态，还可
以安装湍流促进器。管式膜组件的进料体积通量较大，通常需
要弯头连接 (压力损失较大 )，装填密度不高 (＜ 300m2/m3)。
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?毛细管膜组件
毛细管膜组件的结构类似于管式膜。由于膜的孔径较小 (0.5— 6mm)，能
承受高压，所以不用支撑管。通常将很多的毛细管按图 47的方式安装在
一个组件中。毛细管膜的自由端一般用环氧树脂、聚氨酯和硅橡胶封装。
如图 47。
毛细管式膜组件的运行方式有
两种：
① 料液流经毛细管管内, 在
毛细管外侧收集渗透物；
② 原料液从毛细管外侧进入
组件, 渗透物从毛细管管内流
出 。
这两种方式的选择取决于具体
应用场合 。
毛细管式膜组件装填密度较
大 (600— 1200m2/m3)，制造
费用低，但压缩强度较小，
在多数情况下料液的流动为
层流。目前用于超滤、渗析、
渗透汽化过程以及某些气体
渗透过程 (通过在渗透侧制造
真空，在进料边保持环境压
力来实现推动力的工艺情况 )。
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中空纤维膜组件与毛细管膜组件的形式相同, 差别在于膜的规
格不同 。 通常中空纤维的外径约 40－ 250μm,外径与内径之
比为 2 ~ 4。
根据下式, 膜的耐压强度决定于外径和内径之比, 与管壁的绝
对厚度无关 。
式中, K是材料的抗拉强度； r是管径 。 中空纤维具有较大的外
径内径之比, 因而具有较大的耐压性 。
?中空纤维膜组件
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?组件形式
污染和浓差极化对中空纤维膜分离性能产生很大的影响, 通过改
变流动方式可以改善膜的污染和浓差极化现象 。
对于皮层在外侧的中空纤维, 根据料液流动方式可把组件分为三
种：
① 轴流式；
② 放射流式；
③ 纤维卷筒式 。
后两种组件中料液相对于中空纤维作横向流动，这种流动强化了
边界层的传质过程。
?特点
中空纤维最主要的优点是装填密
度 很 高, 可达 16000—
30000m2/m3,对反渗透, 气体
分离, 膜接触器, 液膜等单位面
积渗透通量很小的过程是非常有
利的 。 但它也有许多缺点：
① 清洗困难, 只能采用化学清
洗；
② 中空纤维膜一旦损坏无法更
换；
③ 液体在管内流动时阻力很大,
导致压力损失较大 。
?适用场合
目前中空纤维膜主要用于
反渗透、气体分离、膜接
触器、液膜以及超滤和渗
析等领域。
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膜组件系统设计
基本操作方式
膜组件的连接方式
多级装置的连接
?基本操作方式
膜分离系统按其基本
操作方式可分为两类：
① 单程系统；
② 循环系统 。
在单程系统中原料液
仅通过单一或多种膜
组件一次；而在循环
系统中，原料液通过
泵加压多次流过每一
级。
?膜组件的连接方式
?多级装置的连接
如果单级膜分离装置不能获得合乎要求的产物，截留物或渗透物必须
在第二级中进一步处理。这种系统被称为多级装置 (膜级联 )。
通常膜过程的级联装置分为无回流和有回流两大类，可利用图解和数
值计算的方法确定级联式膜装置级数和梯级尺寸。是否采用循环回流
取决于各段的截留物与渗出物中组分是否有回收的价值。这是因为不
带再循环会造成产物损失，而带有再循环需要较高的投资和操作费用。
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