超滤技术的应用和发展研究
摘要：本文介绍了超滤技术的相关知识，在水处理、食品工业、染料工业的应用。最后探讨了超滤技术的发展趋势。
关键词：超滤技术； 膜分离； 超滤膜 中图分类号：X703.1
文献标识码：A 文章编号：1007-0370 (2012) 01-0069-03
Study on application and development of filtering technology
Li Xiaoyun1, Huang Xiaojv2
（1. Environmental Protection Science Research Institute of Xuzhou,Jiang Su 221000；
2. Jiangsu Building Technology Institute，Xuzhou 221000）
Abstract：
Surpass the relevance knowledge filtering a technology that the main body of a book has been introduced, before water treatment , food industry , dyestuff industry application. The at last has been discussed surpassing the developing trend filtering a technology.
Key words：
Filter technology； film separation； filter film
膜分离技术是近二十年来在分离领域迅速崛起的化工高新技术,它具有能耗低,选择性高及装置灵活等特点,应用前景十分宽广。
超滤(UF)是一种膜过滤技术,超滤膜的过滤精度为0.01μm,水通过超滤膜表面微孔的过滤,除去水中大于0.01μm的颗粒[1]。目前超滤膜主要是醋酸纤维素超滤膜(CA膜)。此外，还有聚砜酰胺超滤膜(PSA膜)、芳香聚酰胺超滤膜和聚丙烯脂超滤膜等。
1 应用领域
1.1 水处理
超滤技术是目前处理方法中最先进的方法之一,应用范围广,包括从海水和苦咸水中制取饮用水,工艺用水;超纯水的制备;锅炉水预处理;工业污水处理等等方面[2]。
在废水处理方面,超滤技术在各个行业普遍使用,化工废水、电镀废水、含油废水、电泳涂漆废水、食品工业废水、造纸工业废水、纺织工业废水、放射性废水、城市下水等的处理收到很好的效果,不仅能减少污染,而且回收了有用的物质。现以纺织工业为例简要介绍。纺织工业废水量大,有机物及染料试剂含量高,生物化学方法难以处理,超滤得到广泛的使用。洗毛废水处理:洗毛废水为高浓度有机废水,含有大量羊毛脂,洗涤剂及泥沙等杂质。净化污水,减少环境污染并进而有效回收羊毛脂,是毛纺织工业一个重要的课题。
七十年代以来开始采用超滤膜分离技术处理洗毛废水。天津纺院采用聚砜中空纤维超滤装置对洗毛废水进行超滤分离,透过液仍能循环用于洗毛,脂的截留率达90%以上。Tounsend等采用水合氧化锆动态膜处理洗毛废水,结果在回水率为85%时,总有机碳截留率达92-96%,总固体分率为85-90%,但羊毛脂可以得到100%截留。退浆废水中回收PVA:与蒸发浓缩,化学沉淀,生物降解相比较,超滤回收PVA是一种先进技术。刘廷惠等人研究的采用聚砜中空纤维越滤器进行的PVA退浆水的回收,在70℃,1.0kg/cm2压力下,透水速度为2-4l/m2·h,PVA的脱除率可达95%以上。纤维油剂的回收:岳阳石油化工总厂采用外压管式醋酸纤维素超滤膜用膜分离出锦纶纺丝油剂后,经加工得到白油当商品出售。韩式荆等人采用截留分子量为67000的聚砜中空纤维超滤膜分离、浓缩维尼长丝油剂废渣,分离效果可与国外同类产品相比。樊淑采用超滤-生物转盘技术对涤纶短纤维油剂污水处理,不仅使排放达到国家标准,而且回收的浓缩油可继续回用。
进入80年代,新膜材料的开发,膜结构与性能的改善,膜工程问题的逐步解决,开拓了膜分离技术在印染工业中的应用前景,计算机分析及配色等技术的应用使得最大限度利用回收染料助剂和水,并有效地控制环境污染。聚砜由于其良好的物化稳定性是目前最富竞争力的超滤膜之一,PH使用范围1-13,最高允许使用温度120℃,同时具有良好的抗氧化、耐氯等性能。Majesuska等在这方面作了大量工作,研究表明该膜对分子量大于800的染料截留率可达100%,水通量为0.20m3/m2天,而且蒸发时间越短,铸膜温度越高,膜的传递性能越好。郭明远用聚砜超滤膜分离分散深蓝染料,裴振琦将三台管式超滤器并联从轧染机还原蒸箱溢流液中回收还原染料,运行2000多小时,超滤染料废液617吨,回收还原染料1036斤,脱色率保持在95-98%;将回收染料在机台染色时兑入5-7%,对于布的色泽及牢度均无明显影响,经济效益显著。在诸多的新膜材料和结构中,新开发的荷电超滤膜(或疏松反渗透膜)在处理印染废水中表现独特的优点,将是未来处理印染废水中最具有竞争力的膜材料,该膜对各种活性染料的分离性能较好,截留率在99%以上,同时具有高流量低压操作、耐酸碱、耐污染等特点。
云冈热电采用的三级处理方案为机械过滤器加超滤的处理方案, 超滤处理系统具体流程为:机械过滤器过滤→保安过滤器→超滤装置→回用。
(1)机械过滤器:机械过滤器在系统中起到过滤、吸附作用,可将清水中不能用沉淀等方法除去的悬浮物以及悬浮状的有机物去除。系统中设置了直径为2500mm的机械过滤器3台(两用一备)。过滤器的运行及反洗控制均采用程序控制。
(2)保安过滤器:为保证超滤装置的安全运行,特在超滤装置前设置2台保安过滤器,型式为格栅式过滤器,过滤精度为150μm,出力为45m3/h。
(3)超滤装置:二沉池出水经过机械过滤器的初步过滤之后,进入超滤系统。超滤系统采用24个膜元件组成的超滤装置,分A、B两列布置,超滤膜选用美国海德能HYDRAcap-60中空纤维素膜,出力为2×45m3/h。超滤的运行及反洗控制均采用程序控制,反洗时加入少量的次氯酸钠氧化剂进行化学灭菌[1]。
从调试过程中及省环境监测站监测的数据分析,该处理系统出水水质完全可以满足设计要求,实践运行证明,出水水质稳定、可靠，完全可以满足回用于化学水处理系统的要求,具有推广价值。
1.2 食品工业
超滤除了用于食品工业废水处理外,另外还可以用于食品的精制、提纯与浓缩。牛奶、乳清蛋白质、茶叶的浓缩：饮料的精制和除菌:超滤可用于饮料中悬浮固体、残留酵母菌、杂菌微生物、胶体物质,色素的去除,而保留饮料的营养成分和特有的芳香成分。膜分离技术的除菌作用,使饮料中不需要添加防腐剂等化学药物而延长贮存期。轻工业部甘蔗糖业研究所饮料车间用聚砜平板超滤膜分离设备对荔枝康力新型天然饮料进行精制和除菌,取得很好效果。
1.3 染料工业
超滤在染料及其助剂工业中也发挥了越来越大的作用。1982年德国拜耳公司发明了一种制备稳定的液态染料的专利,它是在扩散剂存在的情况下先将滤饼湿法研磨,然后利用超滤将其浓缩或高浓度贮存稳定的液态产品。与传统方法相比,此法所制备的产品不仅质量合乎要求,而且大大简化了工艺流程。1986年,该公司又发表了超滤法精制染料用以制备喷射印刷油墨的专利。同年瑞士汽巴-嘉基公司发明了超滤精制水溶性有机染料的方法，还发明了应用超滤技术制备偶氮染料的专利。我国开山屯造纸厂于1985年从丹麦引进了国内最大的超滤装置,总膜面积近800m2,它可将造纸废液中的木质素磺酸盐回收、精制,生产染料用的高纯度扩散剂。从超滤装置出来的透过液经反渗透设备浓缩处理后,即可得到食品用添加剂,处理的废水又可重新利用。在国外,超滤技术还应用于空间技术,如美国NASA(国家航空和航天管理局)研制的小型航天水处理装置,能将人体排出液经超滤、反渗透处理后作饮用水循环使用。利用反渗透和超滤膜制造的家用净水器,国外已普遍应用。总之反渗透和超滤技术在国外已普及到各个行业。我国近十年,超滤技术的应用取得较大进展,作为一种新的和正在发展的通用分离技术,在工业上应用的潜力是无限的。
2 发展趋势
2.1 高性能膜不断出现
膜是超滤的心脏,膜的材料是整个超滤技术的中心,超滤技术的进一步提高,关键取决于膜性能的改进。
2.1.1 膜的品种增加
膜的性能提高随着膜分离技术应用领域的扩大,对膜性能的要求越来越高,不但要有良好的分离性能,而且要有良好的耐温、耐压、耐酸碱腐蚀,抗污染等等性能,很多新型的分离膜得到开发,如抗污染膜、等孔型超滤膜,能在高腐蚀性环境中使用的超滤膜和反渗透膜,耐氧化、耐游离氯的复合膜,具有催化功能的分离膜等等。
2.1.2 膜材料的发展
膜结构及其材质极大程度决定了膜的功能。最初工业化的膜是醋酸纤维素,它的价格便宜,成膜性能好,但适用范围很窄,PH值限于3.5--9.5,使用温度低于40℃,如今膜材料大都采用高性能的合成材料,如聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯以及改性纤维等,可经受强酸强碱,在各种溶剂及较高温度下能正常操作。近年来随着高分子膜的飞速发展,无机膜的开发与应用亦日益受到关注,多孔性陶瓷、多孔性玻璃以及多孔性金属等无机材料制成的膜已经问世,这可提高膜的耐热性和抗化学腐蚀性。日本努力开发具有超滤性能的多孔陶瓷膜,有些已处于领先水平。有机氟材料功能膜应用取得令人嘱目的成绩。
2.1.3 膜的制备与改性
高分子膜的结构不仅与材质有关,而且与其加工过程关系密切,因要提高膜性能也应从膜的制备方法和条件方面进行开发和改进。例如对于反渗透复合膜就从改进现有的涂层、界面聚合和就地聚合等技术着手,开发等离子聚合、光化聚合、辐照聚合、电化聚合等的复合聚合过程。另外还可以对膜表面进行改性,国外用低温等离子体对超滤膜进行物理改性,改变了超滤膜表面0.1-0.2um厚度的活性表面分子结构和分子间的作用,从而增加了膜的强度,提高膜的耐热性、耐化学腐蚀性,选择分离性和透水性。应该指出的是,为使膜分离设备具有良好性能,除了应有高性能外,还必须使分离设备在最佳条件(过滤速率、截留速率和能耗等)下操作。
2.2 应用领域日益扩大
膜分离技术的应用领域日益扩大,生物技术方面的膜分离是一种巨大潜力的工业;膜分离在反应工程中的应用尚处于研究阶段,但前景十分诱人;新型化学薄膜发电属清洁,无污染的电力高科技,必然会引起人们的密切关注。超滤技术的应用范围也将会随之拓宽。随着膜分离工艺应用的拓宽,其固有的一些局限性也暴露出来。改进膜的构造,提高膜的性能,只能解决一部分难题,而若将几种不同的分离工艺结合起来形成一种新的分离工艺系统,则可以扬各种分离工艺之长,避其所短。如在生物化学反应中,将活细胞培养基生物转变工艺同膜分离工艺很好地结合起来,可以持续地生产生化制品。例如,在糖持续性地发酵成为乙醇的过程中,可采用一种能选择渗透醇的膜进行全蒸发处理,从流体培养基中去除醇,而培养基则可以再循环使用。
参考文献
［1］卓燕，李晓斌. 超滤技术的应用和发展研究［J］.硅谷，2010（5）：24-27.
［2］樊芷芸，郭明远，李慧扬. 渗透和超滤的应用和发展［J］.1996，16（4）：103-107.