膜分离工程 第五章 超滤(UF)课件.ppt

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1、超滤(UF)1、超滤膜发展史2、表征膜性能的参数3、超滤基本传质理论4、超滤膜材料5、超滤的应用超滤膜发展史最早使用的超滤膜是动物的脏器薄膜1861年，Schmidt首次公开了用牛心胞膜截留可溶性阿拉伯胶的实验结果；1896年，马丁制备了第一张人工超滤膜，可以部分截留蛋白质；1907年，Bechhold较为系统的研究了超滤膜，并首次采取了“超滤”这一科技术语。1963年，美国马萨诸塞大学的Michaels利用不同比例的酸性和碱性高分子电解质混合物，以水—丙酮—溴化钠为溶剂首先制成各种不同孔径的不同醋酸纤维素（CA）超滤膜，并主持开办了亚米康公司，开始了超滤膜的商品化生产；超滤膜发展史20世

2、纪70年代，超滤从实验室规模的分离手段发展成重要的工业分离单元操作技术，工业应用发展十分迅速。我国对超滤技术70年代起步，首先研制了管式超滤膜及组器；80年代是快速发展的阶段，先后研制成功了中空纤维，卷式和板式超滤装置。目前，超滤膜已有：PS、PAN、PES、PSA、PP、PE、PVDF等十余个品种。微滤0.1～10m：细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等超滤0.002～0.1m：蛋白、颜料、多糖、大分子纳滤0.0005～0.002m：低聚糖、染料、多价离子反渗透0.0001～0.001m：电解质、大于100Da的有机溶质水、小于100Da的有机溶质表征膜性能的参数通量截留分子量孔的

3、特征、pH适用范围、抗压能力、对热和溶剂的稳定性等。纯水通量：纯水在一定压力，温度(0.35MPa，25℃)下试验，透过水的速度JW=W/At同类膜，孔径，纯水通量Jw。纯水通量Jw不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水通量的10%）由Jw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。1通量2截留分子量（MWCO）截留率R膜对溶质的截留能力以截留率R（rejection）来表示，其定义为R＝1－Cp／Cb式中Cp和Cb分别表示在某一瞬间，透过液和截留液的浓度。如R＝1，则Cp＝0，表示溶质全部被截留；如R＝0，则Cp＝Cb，表示溶质能自由透过膜。2

4、截留分子量截留分子量:（molecularweightcut-off，MWCO）膜对某标准物截留率为90%时所对应的相对分子质量为该膜的截留相对分子质量。相对分子质量(MWCO)不仅表示超滤膜孔径的大小,而且可表征膜的分离特性.通常定义此法为大多数膜生产厂家采用。尚无统一的测试方法和标准物。常用标准物一般分为三类:球状蛋白质、带支链的多糖（如葡萄糖）、线性分子（如聚乙二醇等）。截断曲线截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。MWCO与孔径切割分子量与膜平均孔径的关系依据截留分子量选择超滤膜标称截

5、留相对分子质量仍是选择膜的最好参考指标。如果仅涉及浓缩体系，参考以蛋白为标准物的MWCO即可。若涉及组分分级，膜选择较困难。由于超滤膜孔径分布较宽，两组分相对分子质量应相差至少10倍。若仅以高通量为目标，膜孔径要比溶质中最小粒子小5-10倍。膜的最终选择要依据实验确定。超滤基本理论在超滤中，超滤膜对溶质的分离过程主要有：（1）在膜表面及微孔内的吸附（一次吸附）（2）在孔内停留而被去除（阻塞）（3）在膜面的机械截留（筛分）在实际应用中发现，膜表面的化学特性对大分子溶质的截留有重要影响。因此在考虑超滤膜截留性能时，必须兼顾膜表面的化学特性。超滤的基本传质理论超滤特性一般可以用透过通量（JV）和

6、表观截留率（Ra）表示。JV——透过通量，m3/（m2.s）V——滤液体积，m3A——分离膜的有效面积，m2t——获得V体积滤液所需时间cb——原液浓度，mg/Lcp——透过液液浓度，mg/L超滤的基本传质理论由于浓差极化现象的存在，膜表面截留的溶质浓度为cw，则膜的真实截留率应为：截留率R虽然能真实的表示超滤特性，但由于膜表面浓度无法测定，所以可以按浓差极化模型计算进料浓差极化当发生浓差极化后，膜面上浓度Cw大于主体浓度Cb，溶质向主体反扩散；当溶质向膜面的流动速度与反扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层；在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层

7、作物料衡算。推导边界层形成后，通量与Cw及Cb的关系。浓差极化浓差极化边界层中的浓度分布浓差极化随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于透过膜的通量与反扩散速度之和，故有利用边界条件，当x＝0时，C=Cw；当x=δ时，C=Cb，将上式积分，并得到令K＝D/δ为膜表面传质对流系数，δ：浓度边界层厚度，D：膜表面扩散系数。上式成为；浓差极化如果溶质完全被截留，Cp=0上式就可以写成Cw/Cb称为极化模数（polarizati