微滤膜的形态结构与微滤膜结构的性能表征
微滤
微孔膜的缺点
① 颗粒容量较小，易被堵塞； ② 使用时必须有前道过滤的配合，否 则无法正常工作。
微滤膜的性能
• (1)物理机械性能：厚度一般90-170μm，以精密测厚计测定。 弹性模量（断裂伸长）是用一定大小的试样在材料试验机 上进行。各向同性是以染料吸留试验判断。 • (2)通量和堵塞： • 微孔膜的通量测定一般是在一定真空度下（如700mmHg下） 以纯水为透过介质进行的（如下图所示），堵塞是以通量 下降速率来表示如下图所示：
（1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料
的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。 （2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器， 从而进行微粒和细菌含量的测定。 （3）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、纤维、花 粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物， 都可借助微孔膜去除。 （4）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒 类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其 他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。 由于是常温操作，不会使酒类产品变味。
微滤(MF) 膜的制备技术
• 径迹蚀刻法：首先用一定能量的带电粒子轰击 聚碳酸酯或聚酯等材料的薄膜，在这轰击的 “径迹”周围产生一损伤区，然后用一定浓度 的化学刻蚀剂于一定温度下刻蚀合适的时间， 这时损伤区的成分被溶掉而形成孔。该膜的特 点是孔径相当均匀，呈圆柱形，且基本上与膜 面垂直。
微孔过滤技术应用领域
膜污染
定义
由于与膜存在物化作用或机械作用，进料 中的微粒、胶体或溶质在膜表面或孔内发 生吸附、凝聚和沉积，使膜孔径变窄或堵 塞，其透过通量和分离性能也有不可逆的 变化，这一现象谓之膜污染。
超滤和微滤
浓差极化使 得膜面处浓度Cm 增加，加大了渗 透压，在一定压 差△P下使溶剂的 透过速率下降， 同时Cm的增加又 使溶质的透过速 率增加，使截留 率下降。
膜污染定义 液料中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜透过速率下降的现象 称为膜污染 膜污染。 膜污染 组分在膜表面沉积形成的污染层将产生额外的阻力，该阻力可能远大 于膜本身的阻力而成为过滤的主要阻力；组分在膜孔中的沉积将造成膜孔 减少甚至堵塞，实际上减少了膜的有效面积。膜污染主要发生在超滤与微 滤过程中。 透 可 的 过 速 超滤， 与 力 成 率 ；而 液的超滤， 于 与 与膜污染的 ， 操 超滤 的 作 成 ， 定 压 力 ， 力， 的 层阻力 大， 能 关 大 ， 而 系 J ∞。
400 × 400 Cogent µScale超滤 系统 统 Cogent M Cogent M 应 用 ： 新 药 研 发 半 自 动 超 滤 系 模 规 试 中
超滤 超滤 理乳品
TMF微滤膜过滤技术又称 管式为滤膜系统，主要应 用于废水处理的泥水
陶瓷膜超滤应用于 豆奶的浓缩
在一定的压差下，当 含有高分子溶质A和低分 子B的混合溶液流过膜表 面时，溶剂和小于膜孔的 低分子溶质（如无机盐类） 透过膜，作为透过液被收 集起来，而大于膜孔的高 分子溶质（如有机胶体等） 则被截留，作为浓缩液被 收回，以达到净化、分离 和浓缩的目的。通常，能 截留相对分子质量在500 以上、106以下分子的膜 分离过程称超滤 超滤 (ultrafiltration)。截留更 大分子的细微粒子（包括 胶体微粒、微生物等）的 膜分离过程称为微滤 微滤 （microfiltration)
浸入式连续微滤工艺 应用于污水回用深度 处理
微滤应用于物质的分离、 浓缩、提纯
第五章 微滤
• 微滤：当压力推动流体透过膜或其他过滤介质，从流体中分离 微米大小的粒子时，这个过程为微滤。
• 孔径：0.05~20m；渗透压可以忽略，推动力为0.1-0.2MPa 作用机理： ①表面过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸大，粒子以其几何形
无流动操作
➢终端过滤(dead end filtration )
以压力作为推动力，料液流动方向 与滤膜表面垂直，并且透过液方向与料 液一致。
➢错流过滤（cross flow filtration）
透过液方向垂直于进料的方向，而 料液流动方向与滤膜表面平行，进料以 一定流速冲刷膜表面,减小浓差极化效应。
+ 由于每平方厘米滤膜中约含1千万至1亿个小孔，孔 隙率可达70%~80%，故阻力很小，过滤速度较快。
+ 其操作压差为0. 1~0.2Mpa，被分离粒子直径的范围 为0.05~10μm，主要分离微生物和微粒子。
3
微滤膜的特点 ➢ 分离效率高（图5-1） ➢ 空隙率高 ➢ 滤材薄（轻） ➢ 高分子聚合物制成的微滤膜为一均匀的连
★以微滤为例，主要根据料液中固形物的含量多少
来确定，<0.1%时，选用终端过滤， >0.5%则基本采用错流过滤。
对大分子溶液，在浓度极稀或压力差很小的 条件下，透过水的通量与压力成正比。随着 压力差的增大，大分子溶质会被溶剂不断透 过膜过程中而带到膜表面并积累，形成由膜 表面到主体溶液之间的浓度差，促使溶质反 向扩散到主体溶液中，这也就是超滤过程中
（4）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄 酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵 母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的 清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产 品变味。 5）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热 压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。 而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用 热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经 过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物 中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。
膜表征方法简介
滤速法
假设存在毛细管孔 利用HagenPoiseuille方程通过 测量在一定压力下 通过膜的通量可得 到孔径。 通过改变压力即将 泡点法和渗透法相 结合，可以测定孔 径分布。
nr Spt Q 8d
4
Q:透过膜的液体流量； n:孔密度； r:孔半径； S:有效膜面积； △p:应用压力； t:液体透过膜量所用的时间； η:渗透液粘度； d:毛细孔长度，即膜的厚度
压汞法
压汞法是把汞注入干膜中，并在不同压力 下测定汞的体积。压力和孔径的关系仍满 足Laplace方程。由于汞不同润湿膜（接触 角大于90度），汞与聚合物材料的接触角 一般为141.3度，汞/空气界面的表面张力 为0.48N/m，因此Laplace变为：
在一定压力下汞渗入膜微孔中，汞位的变 化反应了样品膜中汞体积的变化，它通过 铂电极电阻的变化来表示，由各压力下汞 进入膜样品的累积体积，可得孔径-孔百分 比的累积曲线，微分后得到孔径分布曲线
电子显微镜法
电子显微镜是用于膜表征的一种设备，可以分成两 种：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜 （TEM）。对于研究和表征微滤膜的多孔结构，可 以对膜的表面和横断面进行观察。 简单电子显微镜的分辨率为0.01μm(10nm)，更高 级电子显微镜的分辨率可达5nm左右（微滤膜的孔 径为0.1~10μm）。 扫描电子显微镜是用于表征微滤膜的简单而有效的 仪器。对表层、横断面和底层可得到V 的入射电子（又称为一 次电子）撞击在膜试样 上，从试样表面原子中 撞击出二次电子，这些 二次电子在检测器的屏 幕上形成一定的图象。 为避免试样被烧坏，可 在表面上覆盖一层导电 层防止表面带电，通常 用金制薄层，即喷金。
扫描电子显微镜原理示意 图
膜分离工程 第四章 微滤
2、阻力（覆盖层）模型
起源于经典过滤理论，是以渗透通量、覆盖层阻 力和膜的阻力之间的关联为出发点的。其一般表 现形式为 P
J
（R m R c）
∆P为操作压力；µ为流体粘度；Rm为膜阻力；Rc 滤饼层阻力
六、 膜材料及制备方法
选择膜材料依据材料加工求、耐污染能力以及化学稳定性 等是主要的考虑因素。常用微滤膜材料
微滤膜材料
• 3 、混合纤维膜（CN-CA）膜 • 膜性能较好，成本低，亲水性好，正常使用温度 75℃，可以热压灭菌（120 ℃，30min），适用 于烃类过滤，能够代替硝酸纤维素应用于制药工 业及电子工业液体过滤，也可用于生物化学、微 生物学、临床医疗诊断、水质、酒类、油料的检 验分析等。 • 4、聚酰胺滤膜 • 膜性能好，成本较高，可以在室温下使用。能耐 碱，在酮、脂、醚及高分子醇中不易被侵蚀，但 不耐酸，可用于过滤弱酸、碱和一般有机溶剂， 也可用于电子工业抗蚀剂的过滤。
五、微滤过滤数学模型
达西定律（Darcy's law）：当低流速流体经过多孔介质时， 流体的平均流速与摩擦阻力造成的压力降成正比关系 The volume flow through these microfiltration membranes can be described by Darcy's law（达西定律）, the flux J through the membrane being directly proportional to the applied pressure: J = A △P where the permeability constant A contains structural factors such as the porosity and pore size (pore size distribution). Furthermore, the viscosity of the permeating liquid is also included in this constant. 微孔模型 阻力（覆盖层）模型
第三讲-微滤1
复合膜(Composite Membrane)
区别与联系
The function of membrane
• 分离型：以分离为目的 • 反应型：控制反应物的输入或生成物的输出 H2O=H++OHCO2=CO+O2
分离膜的制备工艺
平板膜制备示意图
中空纤维膜制备示意图
Some items of membrane process
终端过滤 污染严重
错流过滤 污染轻
膜分离的形式—错流过滤
Permeate P3 P1 P2
F eed
C ro ssflo w m em b ran e m o d u le R ecircu latio n lo o p
R eten tate
几个注意的问题
• RO之前要有预处理工艺 • 对于海水不能直接用RO脱盐 • 矛盾：通量和截留率-皮层
微 滤
崔振宇
天津工业大学材料科学与工程学院
内 容-content
•Introduction •The types and characters of MF •The separation mechanism of MF •The math description of MF微滤过程的数学描述
常用的模型
•孔模型
•扩展的浓差极化模型 •覆盖层模型
•沉积模型
•。。。。。。
孔模型
理想情况下（膜上均匀地分布着大小均匀的孔，没有膜污染，浓差极化可 忽略）可用Hagen-Poiseuille定律描述在微滤过程中流体通过膜的流动
线性关系
该模型一般只在低压、低料液浓度、高流速下才存在。即在压力控制区内才成立
PTFE微滤膜
PTFE 微滤膜1.ePTFE 膜概述ePTFE （expanded PTFE ）叫做聚四氟乙烯，具有非常优秀的化学稳定性，能耐受强酸强碱的腐蚀，同时又较宽的温度耐受性。
因此PTFE 与其他过滤材料相比，具有很大优势。
但PTFE 材料不溶不熔，即使加热到分解温度，也不会流动。
所以加工性能很差。
目前制备PTFE 微孔膜的方法为双向拉伸法。
干燥的PTFE 细粉料与添加剂充分混合后，进入挤压机中，粉料受推挤压出PTFE 条状物，然后在滚压机下压延成膜片。
然后加热挥发去除添加剂，进行双向拉伸。
由于拉伸作用，PTFE 原纤结构发生分离，形成特殊的节点—裂隙组织（如下图）。
微滤膜指的是孔径在0.1μm-10μm 范围的高分子滤膜，能够截留气体或液体中固体颗粒和胶体微粒。
国外从上世纪50年代开始研发双向拉伸PTFE 膜，而我国从70年代投入研发生产。
PTFE 膜经过多面的发展，现已在化工、制药、半导体、环保、食品、饮料和酿酒等行业广泛应用。
2.ePTFE 微滤膜种类经双向拉伸的PTFE 膜，厚度为8~180μm,一般常用的为10~60μm ，微滤膜的孔径通常为0.1μm 、0.22μm 、0.45μm 、1μm 、3μm 、5μm 。
PTFE 膜具有天然的优秀疏水性，所以广泛用在膜蒸馏与包装透气行业。
但是在液体过滤领域，疏水性会导致膜污染，并且需要较高的压力。
所以很多企业与高校研究机构对PTFE 膜进行亲水改性，降低表面张力，减少膜污染，提高膜的使用寿命，使水溶液更易透过。
在一些特殊透气应用领域，如汽车透气、医疗透气，食品包装，传统的疏水ePTFE 膜容易被润滑剂、表面活性剂、油脂等低表面能的液体所润湿透过，导致ePTFE 膜失去透气保护功能。
所以需要对PTFE 进行疏油处理，通常利用表面能更低的氟甲基基团置于膜的表面，这类氟烷基材料本身无毒无害，所以有广泛的应用。
双向拉伸PTFE 膜质地比较软，机械强度低，在使用中经常和无纺布复合，达到增强的作用。
微滤膜22页PPT23页PPT
5431
2
• 微滤膜种类
• 按膜形式来分：平板膜、中空纤维式、熔喷式（PP棉）、 线绕式、折叠微滤膜
• 按膜材料来分：有机膜（PP、PVC、PVDF、PES等）、无机 膜（陶瓷膜、氧化铝膜）
平板膜
中空纤维膜
5431
3
熔喷PP棉
无机陶瓷膜
5431
4
微滤膜制备工艺
PP棉滤芯制备方法：PP棉是目前家用净水行业应用广泛的 微滤技术，工业上制备采用熔喷法，通过高温熔融聚丙烯 与降温材料，喷出丝状PP，卷制而成，一般精度范围在1100微米范围
微滤技术
PP 棉 滤 芯
双进水 电磁阀
前置活 性炭滤
芯
反渗透 滤芯
后置活 性炭滤
芯
压力罐
增压泵
鹅颈龙头
自来水进口
5431
单向快接
废水比 电磁阀
废水出口
17
微滤膜+活性炭技术：主要用于水质情况较好的地区，如 未受污染的山区地下水。此技术在欧洲和美国已经得到广 泛应用，如3M、GE、Brita等知名企业都有许多此类产品， 采用平板微滤膜环绕在碳棒上，制作成单级复合滤芯。
微滤膜+碳棒
5431
20
THANKS 净水设备 •研发中心
5431
21
谢谢
5431
18
我司微滤技术应用现状
我司作为国内家用净水行业的龙头企业，对于各种水处理 方法都积累了丰富的经验，目前我司微滤技术应用主要是 采用熔喷PP棉滤芯，与活性炭、反渗透、超滤搭配使用， 构建不同的水处理系统来应对各种不同进水水质情况。
5431
19
目前单纯的PP棉使用已经不能满足我司产品要求，因此需 要开发新一代的微滤技术来代替现有PP棉系统，目前公司 正在对新的微滤技术应用进行研究：折叠微滤膜、平板微 滤膜+过滤
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
微滤膜的形态结构与微滤膜结构的性能表
征
根据膜孔形态结构，微滤膜可分为：具有毛细管状孔的筛网型微滤膜，和具有弯曲孔的深度型微滤膜。
前者是一种理想情况，膜孔呈圆柱形孔，可截留大于其孔径的物质;后者是实际中常应用的膜，膜表面粗糙，内部孔结构错综复杂，互相交织形成立体网状结构，当溶液经过时，截留、吸附、架桥三种作用并存，因此可以去除粒径小于其表观孔径的微粒。
根据膜的截面结构是否对称，微滤膜又可分为：对称微滤膜和不对称微滤膜。
这是由于膜材料和制备工艺的不同造成的。
对称微滤膜在截面结构和膜材质上都是均匀的，没有物理孔上的明显差异，一般采用相转化法、延伸法、烧结法制备。
非对称微滤膜的截面结构明显不对称
微滤膜结构的性能表征
一般采用孔径、孔径分布、孔隙率表征。
孔径分布越窄，即孔径大小相差越小，显然越好;孔隙率越高，则膜通量会越大，也越好。
孔径可采用电镜，或如泡点法、压汞法等间接方法测定。
微滤膜的材料
有机微滤膜材料有：硝酸纤维素、醋酸纤维素、混合纤维素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜、聚碳酸酯以及聚氯乙烯等。
无机材料有：陶瓷材料(如氧化铝、氧化锆)、玻璃、铝、不锈钢等。
微滤的分离机理
其分离机理为筛分机理，膜的物理结构起决定性作用。
其截留作用分为两大类：
1、膜表层截留作用，其包括：
(1)机械截留作用，即膜会截留大于其孔径或与其孔径相当的微粒。
(2)物理作用或吸附截留作用，其中包括吸附和电性能的影响。
(3)架桥作用，在膜孔的入口处，微粒因架桥作用也可被截留。
2、膜内部网络的截留作用：
对于表面层截留(表面型)，接近于绝对过滤，易清洗，但杂质捕捉量相对于深度型较少;而对于膜内部截留(深度型)而言，接近于公称值过滤，杂质捕捉量较多，但不易清洗，多属于用毕废弃型。
，其表面是极薄的、起分离作用、具有一定孔径的皮层，而多孔的支撑层位于皮层之下。
非对称膜又分为相转化膜和复合膜两种，前者采用相转化法制备，皮层和支撑层为同一种材料;复合膜的皮层和支撑层采用不同的材料，通过在支撑层上进行浇铸、界面聚合、等离子聚合、核径迹蚀刻等方法形成超薄皮层。