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超滤设备(UF)工作原理,工艺流程,应用领域



超滤(Ultra-filtration, UF)是一种能将溶液进行净化和分离的膜分离技术。超滤膜设备是以超滤膜丝为过滤介质,膜两侧的压力差为驱动力的溶液分离装置。超滤膜只允许溶液中的溶剂(如水分子)、无机盐及小分子有机物透过,而将溶液中的浮物胶体蛋白质微生物等大分子物质截留,从而达到净化或分离的目的。


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目录:

    1、超滤设备简介      2、超滤基本原理        3、超滤膜的分类

    4、超滤技术的应用   5、超滤设备的优点     6、超滤膜注意事项

    7、使用条件             8、超滤设备用途         9、超滤设备工艺流程

    10、应用领域




一、超滤设备简介

超滤是以压力为推动力,利用超滤膜不同孔径分离液体中杂质的过程。1871年就有人提出了超滤的概念。1965年,首先由美国亚米康(Amicon)公司开发成功中空纤维式超滤器,并投放市场。超滤应用范围很广,除在水处理工程中用于去除胶体、大分子有机物细菌等外,还可以用于许多特殊的分离精制。由于超滤是常温操作,对那些热敏性物质,如果汁、生物制品等的分离浓缩精致特别有效,节能效果尤为明显。我国超滤技术开发始于20世纪70年代初,最初开发的CA管式膜组件首先用于电泳漆行业,后又应用酶制剂的浓缩。80年代初,聚砜(PS)中空纤维超滤组件研究成功,90年代初,聚丙烯中空纤维组件研制成功。目前在水处理行业中,聚砜和聚丙烯中空纤维式组件应用最多。与国际产品相比,国产超滤膜组件品种单一,水通量和截留率综合性能较低,仰制了超滤技术在水处理以外领域应用中的进展步伐。在水处理工程应用中,虽有少数贵公司推出全自动快冲洗式装置,但在实际应用中仍是以手动为主,水通量难以稳定。尽管如此,近几年来,我国出现了大批超滤膜生产企业,并在某些领域接近国际水平,目前国内超滤市场以国内产品为主。





二、超滤基本原理

(1)超滤的基本原理

一般来说,超滤膜的微孔孔径大致在50~1000A(0。005~1um)之间,因此超滤膜分离过程曾被看作是一种单纯的物理筛分过程。然而事实上膜分离中,反渗透(RO)、超滤(UF)和微滤(MF)之间并不存在明显的界限。二是超滤膜的大孔径一端与微孔滤膜相重叠,其小孔的一端与反渗透膜相重叠,所以近年来有人提出了超微滤和疏松反渗透的新建议,前者的孔径介于超滤膜和微滤膜之间,后者的孔径介于反渗透膜和超滤膜之间,证实由于这个原因,超滤过程不可能是单纯的物理筛分过程。特别是超滤处理的大都是大分子有机物、胶体、蛋白质等,对于这些溶质与膜材料之间的相互作用所产生的物化影响更不能忽视。因此在这种情况下,超滤过程实际上同时存在如下三种情形。

① 溶质在膜表面及微孔孔壁上产生吸附(一次吸附)。

② 溶质的粒径大小与膜孔径相仿,溶质在膜表面贝机械截留,实现筛分(阻塞)。

③ 溶质的粒径大于膜孔径,溶质在膜表面被机械截留,实现筛分(筛分)。


毫无疑问,理想的超滤筛分,应尽力避免溶质在膜表面和膜孔壁上的吸附与阻塞现象的发生。所以用超滤技术分离大分子有机物溶质液时,除了选择适当的膜孔径外,必须选用与被分离溶质之间相互作用弱的超滤膜。


此外,超滤过程又与微孔过滤的方式不同。微孔过滤为静态过滤,一般为了消除过滤过程中产生的浓差极化层,采取搅拌溶液的方法,而超滤过程是动态过滤,当超滤膜在分离溶质与溶剂时,膜表面不断受到流动溶液的冲刷,所以不易形成浓差极化层。有时遇到被处理的溶液浓度高、黏性大时,可以增加浓缩的回流量(或称提高回流比),加强对膜表面的冲刷作用阻止浓差极化层的扩展,使超滤过程得以继续运行下去,这便是超滤技术的基本原理,也是超滤技术的优越性所在。


(2)超滤膜的特性

超滤和反渗透都是压力为驱动力,有相同的膜材料和相仿的制备方法,有相似的机制和功能,有相近的应用。因此,很难有一条明确的界线决然将两者分开。超滤膜的分离特性是指膜的透水通量和截留率,这与膜孔结构有关。膜孔结构的测试方法和所用仪器不同,所得结果差异很大,因此应该在提出数据时说明测试条件,当然最好应有标准化测试方法,这样才便于对比。关于透过通量的测定,应包括纯水透过通量和溶液透过通量两个值。纯水透过通量应通过水计算和实验求得。膜的截留能力以切割分子量来表示,但切割分子量。纯水透过通量应通过水计算和实验求得。膜的截留能力以切割分子量来表示,但切割分子量的定义和测定条件目前还不够严格,一般用分子量差异不大的溶质在不易产生浓差极化的条件下测定截留率,将表观截留率Robe为90%~95%的溶质分子量定为切割分子量。

膜分离性能的好坏主要取决于膜本身的特性,其次决定于超滤膜性能。影响其性能的因素有:超滤滤速或水通量、温度、水中杂质的浓度、原液流速。压力、温度与水通量成正比,溶液的分子量、原液流速与水通量成反比,而压力、温度对截留率的影响并不明显。

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(3)超滤装置

生产用超滤组件和反渗透组件一样,有板框、管式、螺旋卷式和中空纤维四种。因各类组件的性状不同,结构不同,所以在超滤性能上也有较大的差异。


① 板框式组件

它起源于普通的压滤器,但设计形式多样,主要区别在于料液的通道不同。它的优点是单位体积内具有较大的膜面积,但对浓差极化的控制比管式困难,特别是处理悬浮颗粒含量较高的料液时,料液的通道往往被堵塞。膜污染时虽可将组件拆开清洗,但比管式组件麻烦。板框式的优点是投资费用和操作费用一般均教管式组件略低。


② 管式组件

根据料液流动方式的不同,分为内压式和外压式两种。内压式料液在管内流动,外压式料液在管外流动。生产上多采用内压式管件。其优点是可在很大范围内改变料液的流速。被处理溶液的流动状态好,有利于控制浓差极化和膜污染,可以处理含高浓度悬浮颗粒的料液,膜污染严重时可用泡沫塑料刷子或海绵球进行强制性清洗。其缺点是投资和操作费用较高,膜的比表面积小。


③ 螺旋卷式组件

其实是一种卷起来的平板式组件,它把膜及其支撑材料、料液通道材料卷成圆筒装入耐压容器之中,不同的是这种卷式组件其料液和透过液的流经路线不同。这种膜组件的优点是单位体积内膜面积较大,投资和操作费用较低。但浓差极化难以控制,处理含中等程度的悬浮颗粒的料液,就会造成膜的严重污染,所以在超滤应用中收到较大限制。


④ 中空纤维组件

它是由直径0。5~1。5mm的许多根中空纤维膜经集束封头后组成的。这种膜由纺丝技术制造,不需要外加支撑材料,故具有结构紧凑、单位体积内膜的填装密度和比表面积大的特点;且料液流动状态好,浓差极化倾向易于控制,能耗省,投资费用低。





三、超滤膜的分类
超滤膜按结构型式分为板框式(板式)、中空纤维式、纳米膜表超滤膜、管式、卷式等多种结构。其中,中空纤维超滤膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式。中空纤维外径0.4-2.0mm,内径0.3-1.4mm,中空纤维管壁上布满微孔,孔径以能截留物质的分子量表达,截留分子量可达几千至几十万。原水在中空纤维外侧或内腔加压流动,分别构成外压式与内压式中空超滤膜。超滤是动态过滤过程,被截留物质可随浓缩液排除不致堵塞膜表面,可长期连续运行。





四、超滤技术的应用
早期的工业超滤应用于废水和污水处理。三十多年来,随着超滤技术的发展,如今超滤膜技术的应用领域已经很广,主要包括食品工业、饮料工业、乳品工业、生物发酵、生物医药、医药化工、生物制剂、中药制剂、临床医学、印染废水、食品工业废水处理、资源回收以及环境工程等等。


48吨超滤设备




五、超滤设备的优点

A.超滤膜元件采用世界著名膜公司产品,确保了客户得到目前世界上最优质的有机膜元件,从而确保截留性能和膜通量。

B.系统回收率高,所得产品品质优良,可实现物料的高效分离、纯化及高倍数浓缩。

C.处理过程无相变,对物料中组成成分无任何不良影响,且分离、纯化、浓缩过程中始终处于常温状态,特别适用于热敏性物质的处理,完全避免了高温对生物活性物质破坏这一弊端,有效保留原物料体系中的生物活性物质及营养成分。

D。系统能耗低,生产周期短,与传统工艺设备相比,设备运行费用低,能有效降低生产成本,提高企业经济效益。

E。系统工艺设计先进,集成化程度高,结构紧凑,占地面积少,操作与维护简便,工人劳动强度低。

F。系统制作材质采用卫生级管阀,现场清洁卫生,满足GMP或FDA生产规范要求。

G.控制系统可根据用户具体使用要求进行个性化设计,结合先进的控制软件,现场在线集中监控重要工艺操作参数,避免人工误操作,多方位确保系统长期稳定运行。




六、中空纤维超滤膜在使用中应注意事项

A。过滤系统要定期灭菌。 超滤膜可以截留细菌,但不可以杀死细菌,截留率再好的超滤膜也不能长期保证干净区不长一个细菌,有细菌就可能大量繁殖。直接影响到透过水质,譬如有的矿泉水成品中出现半透明丝状白色絮状的霉菌团,主要是系统被霉菌污染所致。因此,必须定期对周转环境及过滤系统进行定期灭菌,灭菌的操作周期因供给原水的水质情况而定,对于城市普通自来水而言,夏季7~10天,冬季30~40天,春秋季20~30天。地表水作为供给水源时,灭菌周期更短。灭菌药品可用500~1000mg/L次氯酸钠溶液或1%过氧化氢水溶液循环流或浸泡约半小时即可。

B.由于每根超滤组件在出厂前加入保护液,使用前要彻底冲洗组件中的保护液,先用低压(0.1MPa)给水冲洗1小时,然后再用高压(0.2MPa)给水冲洗1小时,无论低压还是高压冲洗时,系统的产水排放阀均应全部打开。在使用产水时,应检查并确认产品水中不含有任何杀菌剂。

C.超滤组件要轻拿轻放,并注意保护,由于超滤组件是精密器材,所以在使用安装时要小心,要轻拿轻放,更不能甩坏。组件若停用,要先用清水冲洗干净后,加0.5%甲醛水溶液进行消毒灭菌,并密封好。如冬天组件还要进行防冻处理,否则组件可能报废。


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七、使用条件

使用状态:错流过滤或全量过滤,反向冲洗与快速冲洗

反冲洗压力:<0.1MPa

反冲洗流量:200L/m2/hr

反冲洗频率:随进水水质而变化15~60min

反冲洗时间:30-60sec

化学冲洗:随膜材质及膜污染情况而定

灭菌处理:NaClO冲洗每周一次至每月一次

特点:可以显著提高冲洗强度有利于膜的再生




八、超滤设备用途

污水、废水的回收利用


一些西方国家曾经利用一些方法处理污水,但是处理之后的效果不佳,没有从根本上进行彻底的处理。此外,超滤设备其价格比较低为废水回收再利用提供了有力的条件。其实,从城市污水处理厂和工场中排出的废水经过处理之后完全可以再利用,然而此类做法在西方用户那里难以得到信赖。Windhoek曾经将污水处理厂的出水采用膜技巧回用为饮用水。


地表水处理

超滤设备大多数是利用在地表水处理之上的,处理后的水用于浇灌或作为反渗透的进水,来制备工业用水。这类工厂在荷兰等地的数量逐步上升。这种技巧供给了不用在购置越来越贵的饮用水就能就近取用地表水。


生活饮用水处理

因为生活水平的提高,人们对饮用水的质量要求也就越来越高,水处理公司关注控制供水管网中存在的微生物的量。为了做到这一点,是以一种方法是停止昂贵、频繁的水质检验,或是在供水终端设置防止细菌和病毒进进的樊篱。采用UF系统,可以很是方便的建成多么的樊篱。超滤膜对细菌的往除率可以达到6log,关于病毒的往除率达到4log,是以水厂和用水者都不用在担心细菌和病毒的标题。因为饮用水的质量自身就很高,是以此时的膜系统可以可以采用很高的膜通量,可以达到135升/平米.小时。同时较高的进水前提,是以反冲频率和化学加强反洗的频率都可以很是低,产水量可以达到99%。假设需要还可以设立二级超滤设备,将第一级的反洗水进一步回用。



用来进行海水淡化

中东地区是水资本缺乏最严重的处所。为懂得决这个标题,最早人们凡是采用蒸馏技巧。从十九世纪60年月,膜技巧被用于处理这些国家的缺水标题。可是,良多反渗透海水淡化(利用半透过膜为海水脱盐出产海水)(利用海水脱盐出产海水)系统面临着膜污染严重的标题。重要因为反渗透系统的传统的预处理方法无法供给靠得住的进水水质。是以尽年夜年夜都淡化工场,在远远低于其设计出水量的情况下任务,甚至有些工场的出水量达不到最后设计的30%。小型淡化装置的研究表明,超滤系统可以根据可以控制的海水的水质,为反渗透系统供给高质量的进水。耐久实验也表明,超滤系统的出水SDI值可以很好的控制在2以下。这些测试在超滤系统(又称为超滤设备)前不用用任何预处理,而且实用各类海水水质。


14吨超滤设备




九、超滤设备工艺流程

一般工艺流程为:

原水-原水加压泵-多介质过滤器-活性炭过滤器-软水器-精密过滤器-一级反渗透设备-中间水箱-中间水泵-离子交换器-纯化水箱-纯水泵-紫外线杀菌器-微孔过滤器-用水点 (2000版中国药典传统工艺)

原水-原水加压泵-多介质过滤器-活性炭过滤器-软水器-精密过滤器-第一级反渗透-PH调节-中间水箱-第二级反渗透(反渗透膜表面带正电荷)-纯化水箱-纯水泵-紫外线杀菌器- 微孔过滤器-巴氏消毒—用水点 (2005版中国药典目前流行工艺)

原水-原水加压泵-多介质过滤器-活性炭过滤器-软水器-精密过滤器-一级反渗透机-脱气膜-中间水箱-中间水泵-EDI系统-纯化水箱-纯水泵-紫外线杀菌器-微孔过滤器-巴氏消毒-用水点 (2005版中国药典新工艺 )

原水-原水加压泵-多介质过滤器-活性炭过滤器-软水器-精密过滤器-第一级反渗透 -PH调节-中间水箱-第二级反渗透(反渗透膜表面带正电荷)-RO水箱-RO水泵-TOC分解器-EDI系统-纯化水箱-纯水泵-紫外线杀菌器-微孔过滤器-巴氏消毒-用水点 (中国药典注射用水、欧盟和美国药典推荐工艺)

原液-储罐-加压泵-精密过滤器-中空超滤设备-储液罐-反洗水箱-反洗泵。

超滤是利用多孔材料的拦截能力,以物理截留的方式去除水中一定大小的杂质颗粒。在压力驱动下,溶液中水、有机低分子、无机离子等尺寸小的物质可通过纤维壁上的微孔到达膜的另一侧,溶液中菌体、胶体、颗粒物、有机大分子等大尺寸物质则不能透过纤维壁而被截留,从而达到筛分溶液中不同组分的目的。该过程为常温操作,无相态变化,不产生二次污染。超滤直饮水设备就是以超滤膜为核心产品对水质进行过滤。产出来的水就是我们通常所说的矿泉水。




十、应用领域

◆矿泉水:在矿泉水制造中,应用超滤技术,在工程设计中,将根据矿泉水的水源水质分析报告,针对性地选择膜的孔径和膜的类型,设计超滤设计。

◆食品:乳制品、果汁、酒、调味品等食品的生产中逐步采用超滤技术,如牛奶或乳清中蛋白和低分子量的乳糖与水的分离,果汁澄清和去菌消毒,酒中有色蛋白、多糖及其它胶体杂质的去除等,酱油、醋中细菌的脱除,较传统方法显示出经济、可靠、保证质量等优点。

◆医药:在医药和生物化工生产中,常需要对热敏性物质进行分离提纯,超滤技术对此显示其突出的优点。用超滤来分离浓缩生物活性物(如酶、病毒、核酸、特殊蛋白等)是相当合适的从动、植物中提取的药物(如生物碱、荷尔蒙等),其提取液中常有大分子或固体物质,很多情况下可以用超滤来分离,使产品质量得到提高。

◆纯水、超纯水:工业用水的初级纯化,纯水超纯水制备RO预处理,纯水、超纯水终端处理。

◆环保:工业废水深度处理,城市中水回用系统,电泳漆、油品的回收。

◆发酵:生化发酵液分离与精制、酶的浓缩与精制、糖及木糖醇澄清过滤。



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