超滤膜分离的基本原理范文

导语：如何才能写好一篇超滤膜分离的基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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论文摘要：本文首先论述了超滤膜技术的基本原理及特点，进而从5个方面论述了超滤膜技术在水处理中的应用，以供参考。 

1前言

超滤膜技术是一种能够将溶液进行净化、分离或者浓缩的膜透过分离技术，介于微滤和纳滤之间。超滤膜是悬浮颗粒及胶体物质的有效屏障, 同时超滤膜也可以实现对“两虫、藻类、细菌、病毒和水生生物的有效去除，从而达到溶液的净化、分离与浓缩的目的。与传统工艺相比，超滤膜技术在水处理方面具有能耗低、操作压力低、分离效率高、通量大及可回收有用物质等优点，广泛应用于饮用水净化、生活污水回收、含油废水、纸浆废水、海水淡化等水处理中。在此，本文就超滤膜技术在环境工程水处理中的应用展开简要阐述，以供参考。

2 超滤膜技术的基本原理及特点 

2.1超滤膜技术的基本原理

超滤（ultra filtration，简称uf）是溶液在压力作用下，溶剂与部分低分子量溶质穿过膜上微孔到达膜的另一侧，而高分子溶质或其他乳化胶束团被截留，实现从溶液中分离的目的。其截留机理主要是筛分作用，但有时膜表面的化学特性（膜的静电作用）也起着截留作用。超滤分离时是在对料液施加一定压力后，高分子物质、胶体物质因膜表面及微孔的一次吸附，在孔内被阻塞而截留及膜表面的机械筛分作用等三种方式被超滤膜阻止，而水、无机盐及低分子物质透过膜。

超滤膜技术截留分子量的定义域为500-500000左右，对应孔径约为0.002-0.1μm，操作静压差一般为0.1-0.5mpa，被分离组分的直径约为0.005-10μm。

2.2 超滤膜技术的特点

1.对杂质的去除效率高，产水水质大大好于传统方法。

2.彻底消除或者大大减少化学药剂的使用，避免二次污染。

3.系统易于自动化，可靠性高。运行简易，设施只有开启，关闭两档。

4.具有良好的化学稳定性，有耐酸、耐碱以及耐水解的性能，能广泛应用于各种领域。

5.耐热温度可达到140℃，可采用超高温的蒸汽和环氧乙烷杀菌消毒；能在较宽的ph范围内使用，可以在强酸和强碱和各种有机溶剂条件下使用。

6.过滤精度高，能有效滤除水中99.99%的胶体、细菌、悬浮物等有害物质。

7.与常规水处理系统费用相当生活污水经过超滤使处理水质变好从而进行回用，而工业废水中由于一般技术不能达标，采用超滤技术能充分处理废水。

3 超滤膜技术在水处理中的应用

3.1 饮用水净化

当前，随着我国水污染问题的日益严重，我国出现了新的水质问题，如贾第虫和隐孢子虫（两虫）问题、水蚤及红虫问题、藻类污染加剧及臭味和藻毒素问题、水的生物稳定性问题等。而将超滤膜技术应用于饮用水的净化时，其可去除水中包括水蚤、藻类、原生动物、细菌甚至病毒在内的微生物，对水中的致病微生物、浊度、天然有机物、微量有机污染物、氨氮等都有较好的处理效果，能满足人们对水质的要求。

如，张艳等[2]以混凝沉淀为预处理方法，通过中试试验，对浸没式超滤膜处理东江水的最佳运行方式进行了研究，该工艺通过对水中的致病微生物、浊质、天然有机物、有毒有害微量有机污染物、氨氮、重金属等设置多级屏障，可以使其含量得到逐级削减,最后得到优质饮用水。

3.2造纸废水的处理

超滤膜技术应用于造纸废水中，主要是对某些成分进行浓缩并回收，而透过的水又重新返回工艺中使用。一般，造纸废水膜分离技术研究主要包括：回收副产品，发展木素综合利用；制浆废液的预浓缩；去除漂白废水中的有毒物质等。

杨友强等[3]研究了超滤法处理造纸磺化化机浆（scmp）废水及影响超滤的各种因素，结果表明：截留分子量为20000u的聚醚砜（pes200）膜适于处理scmp废水，清洗后膜的通量可恢复98%。黄丽江等[4]采用0.8μm微滤（mf）与50nm超滤（uf）无机陶瓷膜组合工艺对造纸废水进行了处理，在温度为15℃、压力为0.1mpa的操作条件下，0.8μm膜对cod的去除率为30%~45%，50nm膜对cod的去除率为55%~70%。

3.3含油废水的处理

含油废水存在的状态分三种：浮油、分散油、乳化油。前两种较容易处理，可采用机械分离、凝聚沉淀、活性炭吸附等技术处理，使油分降到很低。但乳化油含有表面活性剂和起同样作用的有机物，油分以微米级大小的离子存在于水中，重力分离和粗粒化法都比较困难，而采用超滤膜技术，它使水和低分子有机物透过膜，在除油的同时去除cod及bod，从而实现油水分离。

如，油田含油废水中通常油量为100～1000mg/l，超过国家排放标准（＜10mg/l），故排放前采用先进的高效衡压浅层气浮技术和中空纤维膜分离技术进行了分离，在操作压力为0.1mpa、污水温度40℃时，膜的透水速度可达60～120l/(m2·h)，出水中含油量为痕迹，悬浮物固体含量平均值为 0. 32mg/ l，悬浮物粒径中值平均值为 0. 82μm，完全达到了特低渗透油田回注水的水质标准。

3.4城市污水回用

城市污水是一种重要的水资源，国外早已开始广泛英语膜法进行城市污水回用，随着我国水污染问题的愈发严重，将超滤膜技术应用于城市污水回用，也日渐引起了人们的关注。如，汤凡敏等[5]利用 cass 与超滤膜组合工艺处理小区生活污水，当水力停留时间为12h、codcr浓度在215~ 677 mg/ l 之间时，该工艺出水 codcr稳定在30 mg/ l 左右；nh3-n 浓度为 22.2~ 41.2 mg/ l时，出水nh3-n 最低可达0. 2 mg/ l，去除率达到90%以上，出水ph 值在 7.26~7.89 之间，出水浊度小于 0. 5，出水水质优于回用水标准，可直接回用。

3.5海水淡化

海水淡化技术经过半个世纪的发展，从技术上已经比较成熟，目前主要的海水淡化方法有反渗透（swro）、多级闪蒸（msf）、多效蒸发（med）和压汽蒸馏（vc）等，而适用于大型的海水淡化的方法只有 swro、msf 和 med。随着膜技术的不断发展，从19世界60年代开始膜技术开始应用于海水淡化。但在这一过程中，由于膜污染问题，使得反渗透系统在处理海水方面出现了瓶颈，而超滤膜技术的应用，可有效地控制海水水质，为反渗透系统提供高质量的入水。

如，叶春松等[6]采用中空纤维超滤膜直接处理高浊度海水，该超滤膜的产水浊度平均值为 0. 11ntu，sdi15 平均值为 2. 4，cod 的平均去除率为60.0%，胶硅的平均去除率为 89. 0%，跨膜压差小于6.0×104pa，远远小于超滤膜本身最大操作压差2. 1×105pa，该超滤膜对浊度高、变化大的海水有很强的适应性，可以在以高浊度海水为进水的情况下作为海水反渗透系统的预处理装置。

参考文献：

[1] 张安辉，游海平.超滤膜技术在水处理领域中的应用及前景[j].化工进展，2009（s2）.

[2]张艳，李圭白，陈杰.采用浸没式超滤膜技术处理东江水的中试研究[j]. 中国环境科学，2009， 29（1）.

[3]杨友强，陈中豪，李友明.超滤法处理造纸化机浆废水的研究[j].中国给水排水，1999（12）.

[4]黄江丽，施汉昌，钱易.mf与uf组合工艺处理造纸废水研究[j].中国给水排水，2003（6）.

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关键词：膜分离技术;饮用水;运用

引言

膜分离技术被公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前景的高新技术之一[1]，也是当代最具经济效益和社会效益的技术之一。在食品工业中运用膜分离技术于20世纪60年代末就开始了，发展速度迅猛，现在膜分离技术在食品加工领域中运用广泛。膜分离技术提高了食品产品附加值、使得产品生产效率有所提高，加工方式也有所改变。食品加工领域中的多个方面都有运用膜分离技术，但在饮用水方面的加工比较成熟，趋于完善。

一、膜分离技术的基本原理

由于膜分离有三种方法：反渗透、超滤和电渗析。

三种膜分离方法的原理分别是：

反渗透：反渗透现象发生有两个条件即选择性透过膜和较大的静压差。由于化学位的存在，使得在同等条件下，选择性透过膜一边的纯溶剂中溶剂的化学位大于另一边稀溶液中溶剂的化学位，从而使得纯溶剂向稀溶液侧渗透。由于纯溶剂的渗透，稀溶液的侧液面、静压力化学位都在增大，当达到平衡时，稀溶液会有一渗透压，当给稀溶液一个大于渗透压的静压力时溶剂会向纯溶液侧渗透，这个过程就是反渗透。

超滤：通过一定孔径范围超滤膜过滤含有的大分子或者是细微粒子的溶液。超滤得原理也是由于压差的存在。

电渗析：在点渗析的阴阳两级之间交替排列着许多阴阳离子交换膜，在工作过程中阳离子向负极运动，阴离子向正极运动。由于阴阳离子膜的特点，即阴离子交换膜只能通过阴离子，而阳极交换膜只能通过阳离子，使得有些隔离的地方浓度低，有些地方由于增加了阴阳离子从而浓度变高，当水流过时浓水室引出盐水，淡水室引出淡水。

分离膜的原理总的来说就是由于膜的选择透过性，不同的孔径透过不同的物质，从而进行过滤，原理简单，操作较简单。

二、膜分离技术在饮用水生产中的运用

膜分离技术在食品加工过程中的运用非常广泛，涉及很多方面，如在饮用水、水产品、畜禽产品，但在饮用水方面的应用却是最为广泛，其比较成熟，对饮用水的生产有很大的帮助。

膜分离技术在饮用水中分为四种：MF、UF、NF、RO，其区别是由于孔径的不同，从而使得分离的物质不相同。随着科技的不断进步，膜分离技术在不断提高，分离可以更为细致。如今，膜分离技术在饮用水中的运用非常成熟，几乎一切物质都可以经过滤膜去掉，如有机物、微生物、矿物质、气味等，现在膜分离技术基本上取代了传统饮用水处理技术。

饮用水是每个人所必需的，每天对于饮用水的需求量是非常大的，然而传统的水处理方法却过滤的不能过滤不彻底，或残留有害物质，因此膜分离技术提高了饮用水的生产效率和质量，其在饮用水中的应用将越来越多。

三、膜分离技术的应用前景

膜分离技术如今越来越多的应用在各个领域，食品加工尤其是粮油、水产品、以及畜禽产品等多方面的加工中都会应用膜分离技术。由于其利用的膜的选择透过性，原理比较简单，其应用比较方便，因此其应用将会涉及到更多方面，膜分离技术将会更多的应用于我们的生活，废水处理、提纯等将会应用的越来越多。

膜分离技术虽然发展较快，技术较先进，但还是有一定的缺陷，会产生膜污染，对于膜分离技术的研究还需要不断的深入。从而使得膜分离技术能够更普遍，应用更广泛。（作者单位：南京农业大学工学院）

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关键词:膜分离技术 水处理电渗析反渗透

Abstract: Membrane separation technology is the important means of separation science. Because of it can be performed at room temperature, no phase change, no chemical changes, good selectivity, adaptability and other characteristics, are widely used in, seawater desalination, pure water, ultra-pure water preparation, water treatment process. At present, introduces the applications of this technology equipment products are widely used in our production, life.

Key words: membrane separation technology; water treatment; reverse osmosis electro dialysis;

中图分类号：O484.4文献标识码：A 文章编号

一．概述

当前，我国正处于经济高速发展时期，对水资源的需求也越来越大，对供水质量也要求越来越高，尤其是一些新兴高技术行业，对水的纯度要求很高，为了满足生产、生活需要，相关单位、部门对水处理技术进行了大量的理论探索和技术实践（包括技术引进）。取得了很大突破，并相继运用到了生产实践当中。取得了较为显著的经济效益、社会效益和环境效益。

对膜分离技术的研究最早可追溯到20世纪初，20世纪60年代后随着科技的发展，新材料的出现，迅速崛起，形成一门分离新技术。

我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的。60年代进入开创阶段。1965年着手反渗透的探索。70年代进入开发阶段。80年代后跨入了推广应用阶段。

膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域。膜分离技术在水处理过程中主要是利用其分离功能。目前，膜分离技术已成为当今水处理技术中广泛应用的手段之一。

二．膜分离技术

所谓膜分离是指在某种推力作用下，利用特定膜的选择透过性能（膜能使水或溶剂透过的现象称为渗透、膜能使溶质透过的现象称为渗析，），分离溶液离子或分子以及某些微粒的过程。

可见、实现溶质与溶剂的分离，我们可以利用两种方法：即渗透或渗析。膜分离的推力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。

膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。

1.电渗析

电渗析（electrodialysis，ED）

我们一般把利用电位差或浓度差使溶剂析出的现象或过程称为渗析。如果对渗析现象或过程施加一个电位差（假设水溶液中的溶解物全部是离子状态的），就会影响渗析过程的进行。如果电位推力方向与渗析过程方向一致，那么就会加快渗析过程的进行，反之，就会减缓渗析过程的进行。因此，通过施加与渗析过程方向一致的电位，加快渗析过程的进行，就可以把溶液中的离子通过某种膜结构连续分离出去。我们把这种以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，将带电组分的盐类与非带电组分的水分离的技术称为电渗析。把利用电渗析原理进行水质处理的设备称为电渗析器。图1

电渗析工作原理：

电渗析器除盐的基本原理，是利用离子交换膜的选择透过性。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻档阴离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一路水中大部份离子迁移到另一路离子水中去，从而达到含盐水淡化的目的。

电渗析器是由阴、阳离子交换膜，浓、淡水隔板以及电极板等按一定规则排列，用夹紧装置夹紧组装成的脱盐或浓缩设备。由阳极室、中间室（淡水室、浓盐水）及阴极室三室组成。

电渗析工作的基本单位是膜对。一组膜对由一张阳膜和一张阴膜及两张格网组成，阴阳膜用来选择透过并隔开原水中的阴阳离子或带电粒子，格网用来形成水流通道即中间室，一个淡水 水流通道，一个浓盐水 水流通道。

若干组膜对组成一个工作段。理论上一个工作段可以由无数组膜对组成，限于两个极板之间的均匀电场受距离影响会导致电渗析效率下降，一般情况下一个工作段通常由大约20组膜对构成。同一个工作段内所有水流通道水流方向是一致的。

不同工作段之间由隔板分开。隔板的作用，一是分隔不同的工作段，二是改变水流方向，三是延长水流通道。

阴阳两个极板之间有多个工作段。理论上两个极板之间可以多个工作段，同样限于两个极板之间的均匀电场受距离影响会导致电渗析效率下降，两个极板之间工作段不易过多，一般不会超过七个。如果原水水质较差，一组极板之间工作段数量又不能布置过多，可以再增加一个极板及相应数量的工作段。

图2

电渗析器具有工艺简单，除盐率高，制水成本低、运行管理方便、不污染环境等主要优点。一般原水利用率可达80%，原水回收率 在45-70%之间。电渗析主要用于水的初级脱盐，脱盐率在45-90%之间。它广泛被用于海水与苦咸水淡化；制备纯水时的初级脱盐以及锅炉、动力设备给水的脱盐软化等。

2.电除盐

电除盐（electrodeionization，EDI ）

将电渗析与离子交换技术结合，在电渗析器的淡水室中填充离子交换剂，在直流电场的作用下，实现电渗析、离子交换除盐和离子交换连续电再生的过程。这一过程中离子交换树脂是被电连续再生的，因此不需要用酸和碱对之再生。我们通常把利用电除盐原理进行水处理的一系列设备称为电除盐系统。

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关键词：生物分离技术；课堂教学；演示实验

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0242-02

《生物分离技术》理论课是我院的专业选修课，开设迄今已有6个学年，目前笔者承担并已主讲两次该课程，获得学生好评，同时主持相关科研项目，力争将生物分离这门技术在教学、科研与生产实践上融会贯通。我校所设《生物分离技术》理论课服务于生物技术本科专业，坚持理论与实践相结合，并以应用为主，指导学生如何将该技术应用于工农业生产，而生物分离涉及的诸多原理性问题不是教学重点。为提高教学效率，笔者曾从多方面综合考虑，在前人基础上对该课程的教材选择、课件制作、考核导向等方面做了调整，充分利用原有教学资源，尽量改变过去陈旧的教学方法[1]。《生物分离技术》课程实践性强，重在操作，但由于条件所限，目前该课程尚未开设实验课。而实验课的开设需要场地、仪器设备、人员配置、经费支持以及教学计划调整等多方面，牵一发而动全身，虽已在申请中，但短期内难以实行。为提高学生学习兴趣，活跃课堂气氛，增强教学互动，笔者拟在课堂上开展教学实验演示，本文即对此展开详细探讨。

一、教学演示实验的分类

根据要达到的目的，《生物分离技术》教学演示实验可简单分为以下几种：

1.启发性的演示实验。是由实验结果启发学生思考，从而继续设计实验，引出新的结果。例如在讲沉淀技术时，首先指出沉淀技术是指在溶液中加入沉淀剂使溶质溶解度降低，形成固相从溶液析出从而达到分离的一种技术。继而将预先准备的牛血清白蛋白溶液调至等电点，结果表明等电点沉淀技术不能完全沉淀蛋白，此时可启发学生思考原因，并考虑其他沉淀方式，并可当场选择若干加以验证。

2.验证性的演示实验。是对一些难以理解又不容易解释的问题，设法简单验证。比如萃取技术，它是指当含有生化物质的溶液与互不相溶的第二相接触时，生化物质倾向于在两相之间进行分配，集中到一相中，而原来溶液中所混有的其它杂质分配在另一相中，这样就能达到某种程度的提纯和浓缩。因此萃取的关键是配置互不相容的两相，而这两项的形式在不断发展，例如在讲传统萃取时，可演示四氯化碳萃取碘水中的碘，在讲双水相萃取时，可配置聚乙二醇/磷酸盐体系，演示用于从奶酪中分离β乳球蛋白，在讲反胶束萃取时，可向有机溶剂中加入表面活性剂配置反胶束溶液，演示从棕色固氮菌培养液中直接萃取胞内酶，在讲固相萃取时，可直接将固相萃取装置做一介绍。使得学生对萃取技术的特点、操作方式、发展现状有较深入理解。

3.强化教学效果的演示实验。是通过把一些深奥难懂的问题直观地反映出来，使学生在获得感性认识的同时，进一步加深对知识点的理解，从而达到深入浅出的教学效果。例如在介绍色谱分类时，学生不易理解，可通过运用多媒体动画演示离子交换色谱、凝胶色谱和亲和色谱的原理，接着展示纸色谱、薄层色谱和柱色谱等多种色谱形式。然后针对离子交换色谱做演示实验，以羟基磷灰石为树脂，预先处理、装柱、平衡好，以红藻为原料，预先破碎、离心、盐析、透析、过滤等处理得紫红色溶液，在课堂上讲解理论知识的同时将溶液上羟基磷灰石柱，并用离子强度不断增加的磷酸盐缓冲液洗脱，可逐次洗下红色、蓝色等多种条带，代表不同的蛋白组分。该实验简单直观地解释离子交换的原理和基本过程，可激发学生兴趣，能收到令人满意的教学效果。

4.调节性的演示实验。许多学生都认为生物分离技术课理论知识枯燥难学，在课堂上，可以打开生物教学工具箱，或者带一些新颖的小型分离设备，如超滤膜包、电动移液器、超滤离心管等，先让学生识别，然后逐个介绍功能和使用方法。

二、教学演示实验的注意点

1.演示实验重在引导、启发学生。引导学生质疑问难，或创设若干个富有探究性的新问题，这样课堂教学效果会更好。比如教师可提出如下问题诱导学生思考：鸭蛋蛋黄中脂肪的含量高达31%，为什么看不到一点油？可是在咸蛋的蛋黄中，却经常可以看到黄色的油滴往外流？从这两种不同的处理过程得到不同的结果，又会引发怎样的结论？这些很有探究意义的问题，可以激发学生的探究欲望，使学生产生浓厚的学习兴趣。

2.在演示实验中增加学生的参与。演示实验是教师在课堂上为学生演示操作，同时又引导学生对实验进行观察、思考和分析。以往的课堂教学，后边的学生看不清演示实验过程，影响教学效果。因此，在演示实验中，应积极引导学生观察、讨论、分析、归纳总结，甚至在实验操作上让学生积极参与，充分了解实验的内容。

3.变验证性实验为探索性实验。生物课堂演示实验可分为验证性实验和探索性实验，前者占大部分。验证性实验是对知识的正确与否加以验证，巩固和加深对基本规律和基本原理的认识。而探索性实验对培养学生思维能力、创造能力、自学能力、观察实验能力及解决实际问题的能力有独到的作用[2]。因此，在教学中可把一些验证性的实验变为探索性的实验，多让学生想，启迪学生思路。例如前述从牛血清白蛋白溶液中分离蛋白，除了沉淀方法，还有浓缩，干燥，结晶，电泳，离心，色谱，萃取、膜分离等，几乎每一种生物分离技术都能达到同样目的，具体选择哪一类哪一种，就是一个深入研究探讨的问题，可以让学生展开讨论，各抒己见，同时分组设计实验方案做实验，综合考虑实验效果和成本，让学生由学知识变为主动探索自然规律，对知识学得更扎实更牢固。

4.合理运用多媒体，优化演示实验教学。教学演示实验可提高学生动手能力，而结合利用多媒体教学，可扩展教学视野，是教学现代化的重要标志。如应用多媒体展示工业化的生物分离设备，全自动分离的流程演示，最新的生物分离技术，从而突破时间和空间的束缚，进行逼真地模拟，灵活地放大或缩小生物分离场景，将生物分离过程生动形象地展现于学生眼前，使学生认识加强，理解透彻。

总之，教学演示实验是介于纯理论教学与实验课之间的过渡形式，但对于《生物分离技术》这门重在操作的课程来说很有意义，使学生的学习活动符合学科内容的认知规律，并提高课堂教学的有效性，实现素质教育决胜于课堂的教学战略转移。除了演示实验，也可安排学生参观实验室中各种生物分离实验设备，并安排对生物分离实验感兴趣的学生在实验室继续深造。通过这种课堂教学的延伸，可提高学生的学习积极性和主动性，激发学生对该专业课的兴趣，达到全面提高素质教育质量的目标。

参考文献：

[1]蔡春尔，贾睿，胡燕，何培民.《生物分离技术》理论课教学体会[J].教育教学论坛，2013，（43）：72-73.

[2]韩恒才.浅谈高中物理课堂教学实验演示[J].快乐阅读：下旬刊，2013，（1）：93.