关于UF

作者：Applied Membranes, Inc. 总裁 GK Dhawan

超滤是一种使用孔径在0.1至0.001微米范围内的膜进行的分离过程。通常，超滤可以去除高分子量物质、胶体物质以及有机和无机聚合物分子。低分子量有机物和离子，例如钠、钙、氯化镁和硫酸盐，则不会被去除。由于仅去除高分子量物质，因此膜表面的渗透压差可以忽略不计。因此，较低的施加压力足以使超滤膜达到较高的通量。膜通量定义为单位时间内每单位膜面积产生的渗透液量。通常，通量以加仑/平方英尺/天 (GFD) 或立方米/平方米/天表示。

超滤膜可具有极高的通量，但在大多数实际应用中，通量在约 50 psig 的工作压力下在 50 至 200 GFD 之间变化，而反渗透膜在 200 至 400 psig 时仅产生 10 至 30 GFD。

超滤器与传统过滤器

超滤与反渗透类似，是一种错流分离过程。待处理的液流（进料）沿膜表面切向流动，从而产生两股液流。通过膜的液流称为渗透液。渗透液中残留物质的种类和数量取决于膜的特性、操作条件和进料的质量。另一股液流称为浓缩液，浓缩液中被膜去除的物质逐渐浓缩。因此，在错流分离中，膜本身并不充当离子、分子或胶体的收集器，而仅仅是阻挡这些物质的屏障。

另一方面，传统过滤器（例如介质过滤器或筒式过滤器）仅通过将悬浮固体截留在滤料的孔隙中来去除它们。因此，这些过滤器充当了悬浮固体的储存器，必须经常清洗或更换。传统过滤器位于膜系统的上游，用于去除相对较大的悬浮固体，并让膜完成去除细颗粒和溶解固体的工作。在超滤中，许多应用无需使用预过滤器，超滤模块会浓缩所有悬浮物和乳化物。

浓度极化

当使用膜进行分离时，膜表面附近任何被去除物质的浓度都高于其在液流主体中的浓度。这种情况称为浓差极化，存在于所有超滤和反渗透分离中。浓差极化的结果是形成一个边界层，该边界层中被膜去除的物质的浓度相当高。边界层的厚度及其浓度取决于膜系统中的质量传递条件。膜通量和进料流速对于控制边界层的厚度和浓度都很重要。边界层阻碍水流过膜，边界层中物质的高浓度会导致渗透液质量较差。在超滤应用中，沿膜表面保持相对较高的流体速度以降低浓差极化效应。

恢复

超滤系统的回收率定义为转化为渗透液的进水百分比，或：

超滤膜

超滤膜组件有板框式、卷绕式和管式三种结构。所有结构均已成功应用于不同的工艺流程。每种结构都特别适用于某些特定应用，并且在许多应用中，多种结构适用。对于高纯水，通常使用卷绕式和毛细管式结构。所选结构取决于胶体物质或乳液的类型和浓度。对于浓度更高的溶液，则使用更开放的结构，例如板框式和管式。在所有结构中，最佳系统设计必须考虑流速、压降、功耗、膜污染和组件成本。

膜材料

商用超滤膜的材料种类繁多，但最常见的是聚砜和醋酸纤维素。最近，薄膜复合超滤膜已上市。对于高纯水应用，膜组件材料必须与定期用于膜消毒的化学品（例如过氧化氢）兼容。

截留分子量

超滤膜的孔径范围在0.001至0.1微米之间。然而，更常见的做法是按截留分子量对膜进行分类。例如，用于去除分子量为10,000及以上的溶解固体的膜，其截留分子量为10,000。显然，即使截留分子量相同，不同的膜也会具有不同的孔径分布。换句话说，不同的膜对不同分子量物质的去除程度可能不同。然而，在为特定应用选择膜时，截留分子量仍是一个有用的指导。

影响超滤性能的因素

有几个因素会影响超滤系统的性能。这里简要讨论一下这些因素。膜表面的流量：渗透率随着液体流过膜表面的流速而增加。对于含有乳液或悬浮液的液体，流速尤为重要。更高的流量也意味着更高的能耗和更大的泵。提高流速还可以减少膜表面的污垢。通常，最佳流速是通过在泵功率和渗透率增加之间进行折衷而获得的。

工作压力

渗透速率与膜表面施加的压力成正比。然而，由于污垢和压实增加，工作压力很少超过100 psig，通常在50 psig左右。在某些毛细管型超滤膜组件中，由于膜组件的物理强度限制，工作压力甚至更低。

工作温度

渗透速率随温度升高而增加。然而，温度通常不是一个可控变量。了解温度对膜通量的影响非常重要，这样才能区分渗透速率的下降是由温度下降引起的，还是由其他参数的影响引起的。

超滤系统的性能

在高纯水系统中，超滤正在慢慢取代传统的0.2微米筒式过滤器。在日本，几乎所有的半导体行业都采用这种做法。截留分子量为10,000的超滤膜的标称孔径为0.003微米。当使用超滤膜代替0.2微米筒式过滤器时，颗粒去除效率会大大提高。此外，超滤膜不像0.2微米过滤器那样容易受到细菌透过的影响。在最近的一项研究 (1) 中，对超滤器的性能与0.2微米筒式过滤器的性能进行了比较。部分结果列于表 A。研究中使用的超滤器的截留分子量为100,000（孔径为0.006微米）。随着对高纯水质量的要求越来越严格，我们预计超滤作为最终过滤器的使用将会越来越多。

表 A - 超滤颗粒计数对水的有效性

*超滤后的管道未升级

超滤系统的操作和维护

超滤系统的操作和维护与反渗透系统类似。应每日记录进水和产水流量、进水压力和温度以及整个系统的压降。当系统产水量下降10%或更多时，应清洗膜。进水流量对超滤系统的运行至关重要。进水流量下降可能是由于预过滤器（如有）、流量控制阀或泵本身出现问题。当系统关闭超过两天时，应在膜内循环杀菌剂。重新启动时，产水应排至排水管，直至杀菌剂全部去除。

结论

超滤在高纯水生产中的应用将日益广泛。本文概述的基本原理将有助于理解和使用这项技术。

参考：

¹ Gaudet，PW，“去离子水的现场超滤及其对微电子设备质量的影响”，美国材料与试验协会，1984 年。

术语表

• 进料——超滤系统要处理的液体。
• 渗透物——穿过膜的液体流。
• 浓缩液 - 渗透液经过浓缩后剩余的液体部分
• 回收率 - 以百分比表示，定义为渗透速率与进料速率的比值。回收率可以即时衡量系统中的最大浓度，并影响渗透质量、泵尺寸、功耗和膜污染。
• 通量——单位时间内每单位膜面积的渗透流量（加仑/平方英尺/天）
• 阻隔率 - 膜对特定物质的去除率。表示为 1-CP CF，其中 CP 为渗透液中的浓度，CF 为进料中的浓度。
• 流速——液体沿膜表面流动的速率，以单位时间的长度表示（英尺/秒）。