4.2　超滤分离原理及操作模式

4.2.1　超滤的过程特点

超滤属于压力驱动型膜分离技术，其操作静压差一般为0.1～0.5MPa。超滤的膜孔径为5～40nm。截留分子量为1000～300000道尔顿。在静压差推动力的作用下，原料液中溶剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜流到低压侧，大粒子组分被膜所阻拦，有效截留蛋白质、酶、病毒、胶体、染料等大分子溶质的筛孔分离过程称为超滤（图4-1）。

图4-1　超滤膜孔径和截留性能^［13］

超滤具有以下优点：①在常温无相变的温和条件下进行封闭操作，操作简单，能耗低；②分离装置简单，占地面积小，单级分离效率高；③工艺流程简单，兼容性强，容易与其他工艺集成；④物质在膜分离过程中不发生质的变化，不产生副产物，适合对pH、温度、离子强度敏感的物质进行分离、浓缩或纯化；⑤无试剂加入、无二次污染、绿色环保、清洁高效；⑥采用不同截留分子量的超滤膜可以实现有机化合物的分级或分离。

4.2.2　超滤的分离机理

一般认为超滤的分离机理为筛孔分离过程，但膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。膜截留方式主要包括：膜表面的机械截留（筛分）、孔中滞留而被除去（阻塞）和膜表面及微孔内的吸附（一次吸附）。

4.2.3　超滤的操作模式

超滤的操作模式主要有死端过滤和错流过滤两种（图4-2）。死端过滤是料液置于分离膜的上游，在压差作用下进行。形成压差的方式可以是在进水侧加压，也可以在滤出液侧抽真空。死端过滤时，被截留颗粒在膜表面形成污染层，增加过滤阻力，膜的过滤透过率随时间下降。

错流过滤是料液以切线方向流过分离膜表面，所产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回至主流体，当沉积速度与返回速度达到平衡时，膜表面的污染层不再增厚，渗透通量可在较长时间内保持稳定。因此，在错流过滤中，膜表面不易产生浓差极化现象和结垢问题，过滤速度衰减较慢。

图4-2　超滤操作模式及过滤特性曲线

此外，超滤的操作模式还有间歇操作和连续操作（表4-2）。间歇操作是将加料液从储罐连续地泵送至膜装置，通过该装置后再回到料液储罐及装置进口线。随着溶剂被滤出，储罐中加料液的液面下降，溶液浓度升高。单级连续操作是从储罐将加料液泵送至一个大的循环系统管线中，这个大循环系统是用一个大泵将循环液在膜系统中进行循环。在这个循环系统管线中将浓缩产品慢慢地连续取出，并维持加料及出料的流速相等。多级连续操作是采用两个或两个以上的单级连续操作。每一级在一个固定浓度下操作，从第一级到最后一级，这个浓度是逐渐增加的。最后一级的浓度就是浓缩产品的浓度。从储罐进入第一级时需要一个加料泵，以后则依靠小的压差从前一级进入下一级。

表4-2　超滤操作模式的特点及适用范围^［14］