超滤系统个人总结.docx
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超滤系统个人总结
超滤系统简介
超滤：
是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质与溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化。
超滤是以压力为推动力的膜分离技术之一。
以大分子与小分子分离为目的。
超滤装置如同反渗透装置，有板式、管式（内压列管式与外压管束式）、卷式、中空纤维式等形式。
浓差极化乃是膜分离过程的自然现象，如何将此现象减轻到最低程度，是超滤技术的重要课题之一。
采取的措施有：
1提高膜面水流速度，以减小边界层厚度，并使被截留的溶质及时由水带走；
②采取物理或化学的洗涤措施。
常规垂直过滤与切向流过滤比较
常规垂直过滤（NFF）“死端过滤”
切向流过滤（TFF）
液体垂直通过滤膜，易造成膜表面形成高浓度凝胶与颗粒层，流速急剧下降。
液体切向流过滤膜，在过滤的同时能对膜表面形成冲刷，使膜表面保持干净，保持稳定的过滤速度
应用范围
浓缩：
如蛋白浓缩，去除水/缓冲溶液
通过比较发现为使在生产中保持连续、稳定的过滤，从而选择切向流过滤。
超滤系统一般包括：
回流罐、补液罐、泵、质量流量计、压力传感器、温度传感器、隔膜阀（气动、手动）、压力控制阀、电控箱、管道、夹具等等。
超滤系统流程图:
主要配置：
泵
形式：
卫生级转子泵
材质：
316LSS（转子及与液体直接接触的管道部分）
流速：
200L/min（根据工艺确定）
位置：
进料段
阀
形式：
卫生级隔膜阀（可调节开度）
材质：
316LSS
膜片：
PTFE/EPDM[1]
位置：
进料段、回流段、透过段、取样口等。
压力传感器
形式：
卫生级隔膜式[2]
材质：
316LSS[3]
位置：
进料段、回流段、透过段
质量流量计
形式：
卫生级玻璃转子流量计
材质：
316LSS接口及转子
位置：
进料段、透过段
温度传感器
形式：
卫生级
材质：
316LSS
位置：
管道
材质：
316LSS
超滤膜装置
形式：
板式、管式（内压列管式与外压管束式）、卷式、中空纤维式
1、板式膜组件
板框式组件是首先应用的大规模超滤与反渗透系统，这种设计起源于常规的过滤概念。
膜、多孔膜支撑材料以及形成料液流道的空间与两个端重叠压紧在一起，料液是有料液边空间引入膜面，所有板框式组件应在单位体积中提供大的膜面积，通常这种组件与管式组件相比控制浓度极化比较困难。
特别是溶液中含大量悬浮固体时，可能会使料液流道堵塞。
在板框式组件中通常要拆开或机械清洗膜，而且比管式组件需要更多的次数。
但是，板框式组件的投资费用与运行费用都比管式组件低。
板式超滤膜是最原始的一种膜结构，由于占地面积大，能耗高，逐步被市场所淘汰，主要用大颗粒物质的分离。
2、管式膜组件
管式膜组件首先用于反渗透系统。
这种组件明显的优点是可以控制浓差极化与结垢。
而在反渗透系统中，管式膜已在很大程度上被中空纤维式与螺旋式组件所代替，这是因为他的投资与运行费用都高。
但是在超滤系统，管式组件一直在使用着，这主要是由于管式系统对料液中的悬浮物具有一定承受能力，她很容易用海绵球清洗而无需拆开设备。
管式膜组件的主要优点是能有效地控制浓差极化，大范围地调节料液的流速，膜生成污垢后容易清洗。
其缺点是投资与运行费用都高，单位体积内膜的比表面积较低。
管式膜已存在较长一段时间。
它的设计简洁而易于理解。
管式膜较大的优点，它们能较大范围地耐悬浮固体与许多令人讨厌的纤维、蛋白等物质。
对料液的前处理要求低，对料液可以进行高倍浓缩。
设备的投资费用高，占地面积大，主要用于超微滤系统中。
3、中空纤维膜组件
中空纤维式超滤组件与中空纤维式反渗透组件相似，只是孔径大小不同而已。
应用中要根据料液的情况加以选择，各种超滤膜组件都有其成功的应用领域。
中空纤维膜纤维的内径很小，中国的中空纤维膜是起步最早，运用成熟的膜结构，广泛用于水处理。
由于长期国内无序的技术资料由大连莱特莱德水处理公司提供竞争，中空的技术的更新受到了抑制,产品过于单一。
膜的水通量太低，切割分子量不准确，过滤的精度主要集中在5万分子量以上。
KOCH公司拥有全球唯一的切割分子量最小、最精确的1000分子量膜。
4、卷式膜组件
卷式构型占膜市场的主导。
卷式膜的设计原本专用于水脱盐处理，但其紧凑的设计、低廉的价格已吸引了其他行业。
经过了许多试验与失败后，重新设计的元件已经可以用于许多工业行业，如医药生化行业、精细化工行业、纸浆与造纸行业、高纯水以及一些高温与极端pH的场合。
但是，大多数膜公司只为极端项目提供一种卷式膜。
膜材料
超滤膜的主要材料有聚丙烯腈（PAN）、聚丙烯（PP）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）、纤维素超滤膜
材质
特性
聚丙烯腈（PAN）
PAN是较早应用的一种膜材料，本身为种亲水性材料，易于成膜。
但强度低，脆性大，耐酸碱程度较弱，但制膜成本低。
聚氯乙烯（PVC）
强度与伸长率比PAN好，不易断丝，材料来源广泛，价格低廉。
缺点是非亲水性材料，需亲水改性才能制成性能优良的超滤膜。
聚砜（PS）
强度与伸长率比PAN好，不易断丝，材料来源广泛，价格低廉。
缺点是非亲水性材料，需亲水改性才能制成性能优良的超滤膜。
聚偏氟乙烯（PVDF）
此种材质最大特点是，伸长率极高，不易断丝。
耐酸碱性很好，抗污染性强，耐化学清洗及耐高浓度的余氯溶液。
其缺点是材料成本很高，过滤精度低，表面强度低。
聚丙烯（PP）
材料价格低，制膜过程环保，低耗，成本低，耐酸碱性很好，耐有机溶剂。
通常采用拉伸法生产，达到微滤级，过滤精度低，容易受污染，不易反洗恢复，强拉伸强度高，膜面积大。
纤维素膜
对蛋白的极低吸附，纤维素对于有机溶剂的兼容性优于聚醚砜。
它的缺点是不能用高浓度的NaOH进行清洗与保存。
因此复合再生纤维素膜主要应用于低浓度蛋白溶液，对蛋白收率有较高要求与溶液中含有有机溶剂的情况。
超滤膜的亲水性能决定了膜的水通量大小与抗污染能力,机械强度决定膜产品的使用寿命,膜的亲水性能与强度等力学性能是膜使用性能的重要因素。
用于过滤的原液为蛋白质溶液，因此使用后要使用碱液进行清洗、消毒与保存。
聚砜类如聚砜（PS）与聚醚砜（PES）微滤膜。
该类膜具有良好的化学性与热稳定性，耐辐射，机械强度较高，应用面也较广。
PES非亲水性通过改良之后具有优越的性能。
含氟材料类如聚偏氟乙烯（PVDF）与聚四氟乙烯膜（PTFE）。
这类微滤膜，都有极好的化学稳定性，适合在高温下使用。
特别是PTFE膜，其使用温度为－40～260℃可耐强酸、强碱与各种有机溶剂。
由于具有疏水性，可用于过滤蒸气及各种腐蚀性液体。
此两种膜经过改良之后都有优异的性能，但PVDF的造价较PES高，因此可选择经改良之后的聚醚砜（PES）超滤膜。
超滤膜包维护
超滤膜包的维护主要包括以下几个方面
∙ 冲洗
∙ 清洗
∙ 消毒
∙ 除热原
∙ 水通量NWP的检测
∙ 完整性测试方法
∙ 保存
清洗方法：
1.根据污染物选择合适的清洗剂；
2.所选择的清洗剂与膜堆相兼容；
3.清洗剂的操作条件，选择消毒、除热原与保存剂的方法与此相同。
注意：
1.一定要确认选择的清洗剂与膜材质是兼容的。
2.所有新膜堆在安装后第一次使用之前，必须进行冲洗与清洗。
3.清洗好的新膜堆要用纯水测定水通量NWP。
冲洗步骤
1.将透过管路与回流管路处于排放状态，确保在冲洗过程中没有液体流回清洗罐中。
2.在清洗罐中加入适宜温度的纯水（经过过滤的去离子水、注射用水或反渗透水）或缓冲液，如果水会导致系统与膜堆内溶质的沉淀，就必须用合适的缓冲液冲洗后才进行清洗。
注：
如果是新膜，建议使用30－40升/米2的水进行冲洗，以确保可以把膜包中的保存液冲洗干净。
3.将透过液阀门与回流阀门完全打开。
4.如果您的系统采用的是离心泵，可将泵的出口阀关闭；如果您的系统采用的是变速泵，请把泵速调到最低。
5.启动泵，并立即开启泵的出口阀或提高泵速到下面所列出的数值。
6.用回流阀把本体的回流压力提高到5Psi（0.3bar）,同时保持原来的切向流速，这时候进口压应该在20psi（1.3bar）左右。
7.继续用上述条件冲洗一到两分钟。
8.确定清洗罐内的水在停泵前没有用光，避免泵空转。
9.如需要可以在冲洗的后期，从滤过液与回流液中抽样检验残留物，来检查冲洗效果。
清洗剂选择
超滤膜
料液
污染物
清洗剂
PES
蛋白溶液
被吸附的蛋白
NaOH
PVDF
蛋白溶液
被吸附的蛋白
NaOH
清洗条件
污染物
膜
清洗剂
浓度
温度
PH
时间（min）
蛋白
PES/PVDF
NaOH
0.1~0.5N
1N=1mol/L
消毒
膜堆的消毒应该在完全清洗与冲洗后才可进行，消毒时需要的压力、流速等与清洗时所用的一样，请参考清洗步骤。
膜材料
消毒剂
浓度
PH
温度（℃）
时间（min）
PES
NaOH
0.1~0.5N
PVDF
NaOH
0.1~0.5N
1N=1mol/L
为保证膜的使用寿命，消毒的温度应保证在适宜的温度（供应商提供或实验得出）范围内。
除热原
除热原应该在清洗、消毒与冲洗之后进行。
除热原时的压力、流速及所需液体体积与清洗相同，请参考清洗步骤。
膜材料
除热原试剂
浓度
PH
温度（℃）
时间（min）
PES
NaOH
0.1~0.5N
PVDF
NaOH
0.1~0.5N
水通量（NWP）测量
新膜在第一次使用之前，应测量它的水通量NWP。
先对膜堆进行清洗与冲洗，然后再测NWP，这时测出的NWP将作为标准来检验每次使用后膜堆的清洗效果。
步骤：
1.把回流管与透过液管引回清洗罐。
2.把罐的排放阀关闭，打开回流管路与透过液管路或阀门。
3.如果使用的是变速泵，把泵速调到最小；如果使用的是离心泵，关闭泵的出口阀。
4.在清洗罐中注满纯水，水温在25°C左右，水质应是蒸馏水或过滤后的去离子水。
5.开启泵，调节到以下压力：
进口压10psi（0.7bar）
回流出口压5psi（0.34bar）
6.循环5－10分钟，保证压力与水温的稳定。
7.记录透过液的速度、进口与回流压力、水温等数据。
8.把泵关掉，把系统中的水排空。
9.用以下的公式计算NWP，将计算出的NWP与最初的标准进行比较。
测量：
R=透过速度ml/min
Pin=进口压psi（bar）
Pout=出口压psi（bar）
Pp=透过口压psi（bar）
T＝水温°C
算出过滤膜的总面积
A＝面积ft2（m2）
根据测量的温度，从下表中找出的NWP温度校正系数F
利用下面公式计算NWP
10.当膜堆使用了一次之后，所测出的NWP不应低于最初标准的80％；在反复使用后（大于5次），每次NWP的衰减不应超过10％。
如果NWP衰减幅度较大，说明清洗效果不好，应该试用其它的清洗剂与清洗程序。
NWP温度校正系数F
T（℃）F
T（℃）F
T（℃）F
520.595
510.605
500.615
490.625
480.636
470.647
460.658
450.670
440.682
430.694
420.707
410.720
400.734
390.748
380.762
370.777
360.793
350.808
340.825
330.842
320.859
310.877
300.896
290.915
280.935
270.956
260.978
251.000
241.023
231.047
221.072
211.098
201.125
191.152
181.181
171.212
161.243
151.276
141.310
131.346
121.383
111.422
101.463
91.506
81.551
71.598
61.648
51.699
完整性测试
在对膜堆进行完整性检测之前，系统应该经过充分的清洗与冲洗，残留的清洁剂会对结果有很大影响。
1.首先确定系统已经清洗好，并且膜已经完全湿透。
膜的润湿可以在TMP为2bar的条件下，用水循环五分钟。
2.将系统内的水排空。
3.把经过过滤的并且压力可调节的气源接到膜堆的进口或回流口，最好选择位置比较高那一个口。
4.把没有接气源的进口或回流口用阀门或其他方法封闭。
5.透过液口是开放的。
6.慢慢的加压到指定的气压，然后稳定五分钟让残留的水排出。
7.测量并记录气压、温度与从透过口出来的气体流量。
气体流量可用气体流量计测量或测量一定时间内在倒置的灌满水的量筒中有多少体积水被排走.
8.比较测量的流量与表格中的指标，如果测量值大于指标，请检查膜堆是否按照操作手册的指示正确安装。
如果膜堆安装正确，但所测气体流量仍然高于表中所列的指标，请咨询供应商。
充分润湿的完整的超滤膜的空气流量 （毫升/分钟）
保存
1.把回流与过滤管结回清洗罐。
2.将回流与过滤口的阀门打开。
3.将泵流速调到最小。
4.按膜的材质选择合适的保存剂。
按浓度的要求开一定量的保存。
把保存液放进清洗罐。
5.调泵速到下列的流速。
膜
流道类型
流速
（lpm/m2）
进口压力
压差
psi
bar
psi
bar
6.调节回流阀把回流压力与进出口压差调到上表中标明的数值，同时保持要求的流速。
7.将保存液循环五分钟。
8.如果膜堆在1－5天之内还要再次使用，可以将膜堆在系统中保存，只需把泵关闭，把进出膜堆夹具的所有管路上的阀门关闭，让膜堆中充满保存液，然后把膜堆与夹具在4℃下保存。
9.如果在长时间（如超过5天）不会再使用，应把膜堆从滤器上拆下来，用保存液将膜堆充分润湿后，保存在密封的塑料袋中，或放入装有保存液的容器中，并让保存液将膜堆浸没，放在4℃下保存。
膜包保存液
膜的材质
保存剂
浓度
PH
时限
PES/PVDF
NaOH
0.1N
13
六个月
以上所推荐的保存液可以保证膜堆的充分润湿并抑制细菌的生长，避免膜包受损。
再次使用之前，要对膜包进行冲洗、清洗与消毒。
膜包要保存在塑料袋或容器中，在4℃下（但注意不能结冰）保存。
附录
注释：
[1]PTFE/EPDM
[2]隔膜式隔膜压力传感器由于隔离膜片大面积接触介质，所以适用于密闭场合；尤其是粘稠或浆状介质与强腐蚀性液体，或富含颗粒类介质的测量。
膜片隔离工艺、测试头无引压孔，测量过程中不存在堵塞的情况，一体化结构设计。
特点：
1、不锈钢封装；2、80%内部校准；3、良好的稳定性与重复性。
[3]316不锈钢（18-10）：
+18%铬+10%镍来制作，以使其更耐用更抗蚀，完全没有金属离子析出，这种不锈钢称为18-10不锈钢。
由于其耐用及完全的性质，主要用于医疗器械制造以及餐具的制造。
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