濃縮分離膜知識(shí)-微濾、超濾、納濾和反滲透

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2025-01-02

膜是一種具有選擇性分離功能的材料，使用膜的選擇性分離來(lái)分離、純化和濃縮液體不同成分的過(guò)程稱為膜分離。它與傳統(tǒng)的過(guò)濾不同，因?yàn)槟た梢栽诜肿铀缴戏蛛x，而這個(gè)過(guò)程是一個(gè)不需要相變或添加添加劑的物理過(guò)程。膜的孔徑通常在微米范圍內(nèi)。根據(jù)其孔徑（也稱為截留分子量），膜可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。根據(jù)材料的不同，它們可分為無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜。無(wú)機(jī)膜主要是陶瓷膜和金屬膜，其過(guò)濾精度和選擇性較低。有機(jī)薄膜由醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、多氟聚合物等聚合物材料制成。在錯(cuò)流膜工藝中，各種膜的分離和保留性能取決于膜的孔徑和保留分子量。下圖簡(jiǎn)要說(shuō)明了五種不同的膜分離過(guò)程：（箭頭反射表示物質(zhì)不能穿過(guò)膜并被保留）：

膜分離的基本工藝原理相對(duì)簡(jiǎn)單。在過(guò)濾過(guò)程中，進(jìn)料液體由泵加壓，并以一定的流速沿濾膜表面流動(dòng)。分子量大于膜截留值的物質(zhì)或分子不通過(guò)膜并流回進(jìn)料罐，而分子量小于膜截留值，則通過(guò)膜形成透析液。因此，膜系統(tǒng)有兩個(gè)出口，一個(gè)是回流溶液（濃縮溶液）出口，另一個(gè)是透析液出口。每單位時(shí)間（Hr）和單位膜面積（m2）（L）流出的透析液量稱為膜通量（LMH），即過(guò)濾速率。影響膜通量的因素包括溫度、壓力、固體含量（TDS）、離子濃度、粘度等。由于膜分離過(guò)程是一種純物理過(guò)程，具有無(wú)相變、節(jié)能、體積小、可分離性等特點(diǎn)，膜廣泛應(yīng)用于發(fā)酵、制藥、植物提取、化學(xué)工程、水處理工藝和環(huán)保行業(yè)。對(duì)于不同組成的有機(jī)化合物，根據(jù)其分子量選擇不同的膜，并選擇合適的膜工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的膜通量和截留率，從而提高生產(chǎn)收率，降低投資規(guī)模和運(yùn)營(yíng)成本。

微濾（MF）

也稱為微孔過(guò)濾，屬于精密過(guò)濾，其基本原理是篩分過(guò)程。微濾膜的材料分為兩類：有機(jī)和無(wú)機(jī)。有機(jī)聚合物包括醋酸纖維素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺等。無(wú)機(jī)膜材料包括陶瓷和金屬。鑒于微孔膜的分離特性，其主要應(yīng)用范圍是攔截氣相和液相中的顆粒、細(xì)菌和其他污染物，以實(shí)現(xiàn)凈化、分離和濃縮。

微孔過(guò)濾（MF）也是一種低壓（通常為10-50psi）膜分離技術(shù)。其過(guò)濾能力僅在普通過(guò)濾器和超濾器之間，通常僅用于分離0.05至10μ的懸浮物。水中的其他溶解物質(zhì)可以通過(guò)MF膜。它的篩選功能是過(guò)濾掉氣體或液體中的顆粒和細(xì)菌。對(duì)于微濾，膜的截留特性以其孔徑為特征，通常在0.1至1微米的范圍內(nèi)。因此，微濾膜可以分離大直徑細(xì)菌細(xì)胞、懸浮固體等?？捎糜谝话阋后w的澄清、安全過(guò)濾和空氣消毒。

超濾（UF）

它是一種介于微濾和納濾之間的膜過(guò)程，膜孔徑范圍為0.05um至1000分子量。超濾是一種膜分離技術(shù)，可以凈化、分離和濃縮溶液。超濾過(guò)程通?？梢岳斫鉃榕c膜孔徑相關(guān)的篩分過(guò)程。利用膜兩側(cè)的壓差作為驅(qū)動(dòng)力，超濾膜作為過(guò)濾介質(zhì)，在一定壓力下，當(dāng)水流過(guò)膜表面時(shí)，只允許水和孔徑小于膜的小分子通過(guò)，達(dá)到凈化、分離和濃縮溶液的目的。

使用低壓10-150psi半透膜分離聚合物物質(zhì)（分子量1000-300000）的膜技術(shù)稱為“超濾（UF）”。同樣，NF具有RO和UF的特點(diǎn)。該膜對(duì)二價(jià)離子和分子量大于300的離子具有很高的去除率，而在高濃度下，單價(jià)離子的去除率僅為0-20%。雖然兩者的結(jié)構(gòu)略有不同，其功能的關(guān)鍵對(duì)象也略有不同，但它們有以下共同特征：

它是一種低能耗的液-液分離技術(shù)。

該過(guò)程無(wú)需加熱或化學(xué)試劑，溶液質(zhì)量不受影響。

使用具有不同分子量阻斷能力的不同UF和NF膜可以篩選不同的分子量。對(duì)于超濾，膜的截留特性以標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)化合物的截留分子量為特征，通常在1000至300000之間。因此，超濾膜可以分離大分子有機(jī)化合物（如蛋白質(zhì)、細(xì)菌）、膠體、懸浮固體等，廣泛應(yīng)用于飼料溶液的澄清、大分子有機(jī)物的分離和純化以及除熱。

納濾（NF）

對(duì)于納濾，膜的保留特性由標(biāo)準(zhǔn)NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的保留率來(lái)表征。典型的保留率范圍為60%-90%，相應(yīng)的分子量范圍為100-1000。因此，納濾膜可以將小分子有機(jī)化合物與水和無(wú)機(jī)鹽分離，實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫鹽和濃縮。

反滲透（RO）

當(dāng)兩種不同濃度的濃縮溶液被半透膜分離時(shí)，根據(jù)自然現(xiàn)象，濃度較低的溶液會(huì)向濃度較高的一側(cè)滲透。純水滲透到鹽水中就是一個(gè)典型的例子。但是，如果在鹽水一側(cè)施加足夠的壓力（即大于滲透壓），就會(huì)發(fā)生鹽水滲透到純水中的異常現(xiàn)象，稱為“反滲透（RO）”。該技術(shù)的特點(diǎn)是：

反滲透的截留對(duì)象是所有離子，只允許水通過(guò)膜。NaCl的截留率超過(guò)98%，出水為無(wú)離子水。反滲透可以去除可溶性金屬鹽、有機(jī)物、細(xì)菌、膠體顆粒和發(fā)熱物質(zhì)，這意味著它可以攔截所有離子。反滲透膜已廣泛應(yīng)用于純化水、軟化水、去離子水的生產(chǎn)、產(chǎn)品濃縮和廢水處理。

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不同材料制成的濾膜的最高工作溫度

EPJPUSP藥典對(duì)純凈水的要求

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