超滤膜简介及应用

超滤膜简介及应用

随着人们的生活水平不断提高，对饮水的要求也越来越高。超滤是一种以压力为推动力，在一定压力下，利用膜进行分离的一种膜分离技术，具有操作简单、高效节能、绿色环保等特点，在国内逐年得到了更广泛应用。

图源：东丽

一、超滤膜的定义及机理

超滤膜是一种高分子半透膜，能阻拦大约0.002~0.1μm之间的高分子胶体或悬浮颗粒使其从溶液中分离出来，但是小分子物质、溶解性固体、无机盐等可以透过超滤膜孔道，其过滤示意图如下图所示。

超滤膜过滤示意图 图源：沁森高科

超滤膜最早使用的是动物脏器的薄膜，其可用范围较小，发展缓慢。直到20世纪70年代，随着科技的发展，超滤技术才进入快速发展阶段。

由于超滤具有设备简单、占地小、过滤压力低、材料易得等特点，其应用范围迅速延伸至电子、医药、饮料、食品、化工、医疗和废水处理及回收利用等领域，产品需求也随之快速增长。

二、超滤膜的材料

超滤膜的制造材料可以分为有机高分子材料和无机材料两大类。

2.1 有机高分子材料

（1）纤维素酯类

纤维素酯类是以纤维素作为中间体制备的衍生物，主要有二醋酸纤维素（CA），三醋酸纤维素（CTA），混合纤维素（CA-CN）等。

这类材料的超滤膜具有良好的亲水性和成孔性，且制造原料来源广泛，供应稳定，价格较低。但这种材料耐酸碱性能差，也不适用于酮类、酯类和有机溶剂。

（2）聚砜类

聚砜类是分子主链上含芳基和砜基的材料，常用的有聚砜（PS）、磺化聚砜（SPS）、聚醚砜（PES）等。聚砜类制膜易成型，膜机械强度好，耐热、耐化学性能也较好，使用较多。

聚醚砜（PES）微孔滤膜具有良好的化学稳定性和热稳定性等特点，可有效去除蛋白质等物质，并且使用寿命长。适用于污废水处理、市政给水净化处理、乳清蛋白和乳清分离蛋白的分离和浓缩以及食品、医药加工等领域。目前有以碳纳米管为核心改性材料，采用喷涂法对聚醚砜（PES）超滤膜进行界面改性，使聚醚砜超滤膜具有更好的抗污染性能。

摄于富海化工展台

PS（聚砜）超滤膜，具有良好的化学稳定性，耐酸碱性能优良，透水性能较好，强度在有机高分子材料制成的膜中较高，使用寿命长，正常可使用在2年以上。聚砜外压式中空纤维超滤膜，尤其适用于特种行业（如生化、医药、化工等）的浓缩、分离、提纯，截留性能稳定。

（3）聚烯烃类

聚烯烃类主要是聚丙烯（PP）和聚丙烯腈（PAN），具有良好的机械性能和化学性能。

PAN分子亲水性较差，为了改善这一不足之处，通常做法是引入另一种共聚单体对其进行改性，以增加链的柔韧性和亲水性，从而改善其性能。PAN制成的超滤膜具有良好的耐光和耐气侯性，截留分子量稳定，耐酸碱程度适中（pH2~10），尤其适用于水中有机物含量低，水质较好的场合。

聚丙烯也是常用的材料之一，它的强度高，韧性极好，是一种性能优良应用极其广泛的高分子材料。PP超滤膜具有孔径大小均匀、过滤精度高、孔隙率高、水通量大、膜丝强度好、不易断丝、寿命长等优点。

图源:迈博瑞

（4）氟材料

氟材料主要用的是聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTEE），因为氟原子的强电负性，使碳原子和氟原子之间的紧密结合，使这种材料具有优良的机械强度、耐腐蚀性和耐热性等性能，使用的温度范围达到-40~260℃，可在强酸、强碱以及有机物的环境下使用。

PP支撑聚四氟乙烯(PTFE)亲水膜 图源：迈博瑞

近年来，PVDF已成为过滤膜的主要材料，因为它的物理强度很高，并且对用于膜化学清洗的化学药剂显示出很高的耐受性。

东丽PVDF UF膜 图源：东丽

（5）聚氯乙烯

PVC材料即聚氯乙烯，其具有化学稳定性高、耐强酸、耐强碱、使用寿命长的独特性能，因此在超滤膜的生产中，PVC也被作为制造超滤膜丝的优质原材料。根据不同用途的需要，聚氯乙烯生产时可加入不同的添加剂改变产品性能，使聚氯乙烯塑料呈现出不同的物理性能和力学性能，可以制造出性能优良的超滤膜材料。

2.2 无机材料

无机材料是近几年来开发的新型制膜材料，主要有陶瓷、玻璃、氧化铝、氧化锆和金属，无机材料具有有机高分子材料所无法比拟的一些优点，耐高温、耐冲刷、耐有机溶剂，孔径分布窄，使用寿命长，可再生性强，具有广阔的应用前景。

陶瓷超滤膜

三、膜的结构

3.1不对称膜

非对称膜，又称各向异性膜，由一层均匀致密的、很薄的外皮层及起支撑作用的海绵状内层结构构成，外皮层具有截留污染物的作用。这种膜结构传质阻力小，液体透过速率较对称膜高得多。

3.2对称膜

对称膜又称为各向同性膜，指各向均质的致密或多孔膜，物质在膜中各处的渗透速率相同，传质阻力与膜的总厚度有关，降低膜的厚度可以降低传质阻力，提高透过速率。

四、膜的进料方式

膜的进料方式一般分为外压式和内压式。外压式是液体从外进入中空丝的内部，膜丝与膜丝之间存在空隙，对于进水最大颗粒尺寸的限制以及进水悬浮物浓度的限制都更宽松，因而大大降低了过滤流道被堵塞的风险或几率，而且可以采用高效、环保的气水擦洗的方式对超滤膜进行清洗，但是气水擦洗有可能造成膜丝的破坏。

内压式是液体先进入中空丝内部，在内外压力差驱动下沿径向由内向外渗透过中空纤维成为透过液，浓缩液则留在中空丝的内部，由另一端流出，内压式过滤压力较低，能耗较低，因为孔道较小，一般不使用气水擦洗的方式，常用化学加强反洗或者化学清洗对膜进行清洁，但是会产生清洗废水。

五、制膜工艺

膜的性能是聚合物材料和制膜工艺共同决定的，所以不同的成膜条件和工艺参数，膜的性能存在有很大的差异。常用的制膜工艺有非溶剂相分离法（NIPS法）和热致相分离法（TIPS法）。

NIPS法是将聚合物制膜溶液通过浸入水等介质中而发生溶液与非溶剂的传质过程。TIPS法是在聚合物的熔点以上，将聚合物溶于高沸点、低挥发性的溶剂（又称稀释剂）中形成均相溶液，然后降温冷却，在冷却过程中体系会发生相分离。

TIPS法因为存在溶剂，其热量的交换相对稳定，可以精确的控制膜的微孔结构，膜的结构较为规整，得到的膜孔结构分布比NIPS较窄，且膜丝的拉伸强度较NIPS法高很多。但是TIPS制备过程中需要较高的温度，能耗较大，容易产生致密皮层和封闭孔。

NIPS法制造的膜孔的结构具有多样性，制备过程不需要较高的温度，能耗较低。但是NIPS法制备过程需要控制的参数较多，如温度、添加剂的量、蒸发时间等，工艺的稳定性较差。

六、超滤膜结构形式分类

按照结构形式分超滤膜主要有中空纤维膜式、平板式、管式和卷式，其中中空纤维式最为常见。

图源：默克 (Merck)

为了更好、更方便的利用超滤膜，选择合适的超滤膜结构需要考虑的因素包括：优化膜的填充密度，增加单位体积的产水量；对进水水质的要求越宽越好；减小浓差极化的影响；清洗方便；制造成本低。

因为中空纤维膜相比别的形式具有明显优势，是目前主要使用的超滤膜形式。

七、不同品牌超滤膜的对比

作为目前为止最有效的水预处理方法，超滤膜在国内市场的需求迅速增长。目前国内的超滤膜市场有众多品牌，为了清晰和直观的对超滤膜的差异进行比较，将常见的超滤膜品牌、膜材料、过滤方式、制膜工艺、膜组件类型列于表1。

通过表1可以看出：

（1）因为PVDF材料优异的性能，目前主流的超滤膜厂家多选用PVDF作为膜材料。

（2）过滤方式内压和外压都有各自的优缺点，所以两种过滤方式厂家都有使用，需要根据实际工况进行选择。

（3）TIPS法和NIPS法各有其优点，因为TIPS的制膜工艺难度大，目前厂家多选择NIPS法制备膜材料。

（4）压力式超滤膜具有投资成本低、维修方便、运行能耗高的特点，目前主要应用在中小型项目；而浸没式超滤膜具有一次性投资成本高、运行能耗低的特点，主要应用在大型项目。

结语与展望

为了更好的对水资源进行预处理，超滤膜作为一种有效的预处理手段，未来会越来越受重视。随着材料学不断进步，未来有望开发出具有廉价、抗污染、高效低能和寿命长等特点的理想超滤膜材料，使超滤膜有更宽广的应用空间。

参考资料：青岛双瑞海洋环境，李亚楠，姜斐《超滤膜简介及应用》、网络及各企业官网