[科普中国]-分离特性

超滤分离特性超滤

超滤是一种介于纳滤与微滤之间的膜分离技术，膜的截留分子量范围为500～500000道尔顿左右，相应孔径大小的近似值约为50Å～1000Å。

超滤分离过程以筛滤机理为主。通常情况下，可把不同截留分子量的超滤膜看做是不同孔径的系列筛网。在一定的压力(0.1～0.7MPa)下，它只允许溶剂和小于膜孔径的溶质透过，而阻止水中的悬浮物、微粒、胶体、大分子有机物和细菌等大孔膜孔径的溶质通过，以完成溶液的分离、净化、分级及浓缩的过程。

近些年来，超滤技术的发展极为迅速，不但在特殊溶液的分离方面有独到的作用，而且在工业给水方面也用得越来越多。例如在海水淡化、纯净水及高纯水的制备中，超滤可作为高级预处理没备，确保RO及EDI等设备的长期安全连续运行、在食品饮料、矿泉水生产中，超滤发挥更重要的作用。因为超滤仅去除水中的悬浮物、胶体微粒和细菌等杂质，而保留对人体健康有益的矿物质。

分离的特性超滤分离的特性有：

(1)分离过程不发生相变化，耗能量少。

(2)分离过程可以在常温下进行，适合一些热敏性物质如果汁、生物制剂及某些药品等的浓缩或者提纯。

(3)分离过程仅以低压泵提供的压力作为推动力，设备及工艺流程简单，易于操作、管理及维修。

(4)应用范围广，凡溶质分子量为500～500000道尔顿或者溶质尺寸大小为5Å—1000Å左右，都可以利用超滤分离技术。此外，采用系列化不同截留分子量的膜，能将不同分子最溶质的混合液中各组分实行分子量分级1。

膜的分离特性膜的性能通常包括分离透过特性和物理化学性能。膜物理化学性能主要包括承压性、耐温性、耐酸碱性、抗氧化性、耐生物与化学侵蚀性、力学强度、膜的厚度、可萃取物、含水量、毒性、生物相容性、亲水性和疏水性、孔隙率、电性能、膜的形态结构以及膜的平均孔L径等。

膜的分离透过特性主要是指分离效率和渗透通量，不同膜分离过程表示方法如图1所示。

膜的孔径是表征膜性能的重要指标，它是决定膜的分离透过特性的最主要因素。有关膜孔径的测量方法有直接观测方法和间接方法2。

纳滤的分离特性纳滤膜的材料及膜组件纳滤膜材料主要有醋酸纤维素(CA)、醋酸纤维素一三醋酸纤维素(CA-CTA)、磺化聚砜(SPS)、碘化聚醚砜(SPES)、芳香族聚酰复合材料及无机材料等。目前应用最广的是芳香聚酰胺复合材料。

纳滤过程的经济性和实用性决定于组件的价格与性能，它对组件的机械强度、流体力学结构及经济性都有较高的要求。目前用于纳滤过程的组件，分别是管式、板框式、卷式及中空纤维式，它们有着不同的性能及操作条件，见图2。在纳滤过程中卷式和中空纤维式膜组件较为适用。

纳滤膜对有机物的分离不同纳滤膜对有机物的分离截留效果见图3。由图3可见，纳滤膜一般对相对分子质量在200以上的有机物具有较好的去除率(大于90%)，纳滤膜的截留分子量(MWCO)为200～500也是针对这一点的，这主要指的是一种孔径的物理截留作用。纳滤膜的MWCO大于反渗透膜的MWCO(100)，而小于超滤膜的MWCO(1000以上)。纳滤膜对有机物的去除受操作压力、进水浓度、pH值、迸水有机物性质等因素的影响。图4是纳滤膜对不同性质有机物去除效率的对比。图中亲水部分有机物、疏水部分有机物以及未分级的本体有机物维持同样的有机物浓度(TOC为1mg/L)。在同样的操作条件下，纳滤膜对它们的去除效率相差很大，纳滤膜对疏水性的有机物去除效果最好(>97.5%)，而亲水性的有机物一般为小分子有机物，截留率较低，易于与水分子一起透过纳滤膜。这说明了纳滤膜对有机物去除的选择性。

纳滤膜对无机物的分离纳滤膜对无机离子的去除效率介于反渗透和超滤之间，它对不同的无机离子有不同的分离特性，如它对Mg2+、Ca2+、SO42-的去除效率远远高于对Na+、Cl-等的去除效率，这是纳滤膜与反渗透膜分离性能的主要差别。从不同膜对不同离子的透过系数对比中可以看出纳滤与反渗透的区别(见图5)。

膜对具体无机离子的透过系数是与膜对该离子的截留率相反的概念。某一离子的透过系数越大，那么相应地，这种膜对这种离子的截留率越小。从上述数据可以看出，PVD纳滤膜对水中的高价离子的截留率较高。以截留率从小到大的次序，列出该纳滤膜对水中具体离子的去除效率为：SO42->Mg2+>Ca2+>SO32->HCO3->Na+>Cl->K+>NH4->F->NO3-。而且纳滤膜相对于反渗透膜来说，阴离子的透过率明显降低，一般的纳滤膜的去除规律也基本与此相似3。