1.膜过滤的定义和分类

膜分离法即膜过滤分离法，是利用微孔超滤膜仅能选择性地透过一定大小的分子而达到分离目的的一类方法。

膜传递机制和推动力是多种多样的，如浓度差、压力差、电位差、温度差等。根据推动力和截留范围的不同，膜过滤主要有以下几种形式：渗透、透析、电渗析、反渗透、微过滤、超滤和气体透过等。

2.超滤的概念

超滤（ultrafiltration）是利用压力或离心力强行使溶质按分子质量、形状、大小的差异，将所需溶质分子阻留在膜的一侧，而小分子溶质则随溶剂透过膜压到另一侧，使不同大小的溶质分子被分开（图5-8）。

在膜分离技术范畴内，超滤的分离精度介于纳滤与微滤之间。超滤的定义域为截留分子质量0.5～500kDa，相应膜孔径大小的近似值为0.002～0.1μm。

图5-8 实验室小型超滤管示意图

超滤在近20年来，成为膜分离中发展最快的一种，应用范围很广，例如：制水工业中用以净化水质；食品工业和医药工业中用以除去杂质；乳制品的浓缩以及多种生物制品的浓缩过程。

3.超滤膜

超滤膜应满足以下要求：有较大的透过速度和较高的选择性；有一定的机械强度，耐热、耐化学试剂以及不易被细菌侵袭；耐高温灭菌；廉价。

表征超滤膜的分离透过性能的参数主要有以下几种。

（1）水通量 在一定工作压力、温度下，单位面积（在研究领域中）或单个组件（在工业应用中）单位时间内所透过的水量。膜的水通量除与温度、压力有关外，还取决于膜材料、膜的形态结构等物化性能，此外与操作条件，包括溶液的性质有密切的关系。商品膜的透水速率是指在一定温度、压力下纯水的透水速率。

（2）截留分子质量与截留率 商品超滤膜多用截留分子质量或相近孔径的大小来表明产品的截留性能。截留分子质量是指能被膜截留住的溶质中最小溶质的分子质量。截留率指溶液中被膜截留的特定溶质的量所占溶液中该特定溶质总量的比率。

通常超滤膜所标称的截留分子质量，对具有相同分子质量的线形分子物质或球形蛋白类分子，物质的截留率分别为≥90%和≥95%。应该指出的是，截留率不仅取决于溶质分子的大小，还与下列因素有关：分子的形状，线形分子的截留率低于球形分子；吸附作用，如果溶质分子吸附在孔道壁上，会降低孔道的有效直径，因而使截留率增大；其他高分子物质的存在可能导致浓度极化层的出现，而影响小分子的截留率；温度的升高和浓度的降低也会引起截留率的降低。

制造超滤膜的材料很多，对膜材料的要求是具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、微生物侵蚀性、抗氧化性及良好的亲水性，以得到高的水通量和抗污染能力。目前常用的膜材料有如下几种。

（1）聚砜、聚醚砜 属于疏水性膜材料，机械强度高，耐热、耐化学性良好，为目前应用较多的膜材料之一。

（2）聚丙烯腈（PAN）主要采用共聚改性聚丙烯腈，具有良好的亲水性与耐化学性，特别是抗氯和抗溶剂性能好。材料亲水性、透水速率及耐污染性能优于聚砜类膜材料。

（3）聚偏氟乙烯（PVDF）有极优良的机械强度，且具有耐高温、耐化学侵蚀性。使用温度范围为-40～200℃，可以在强酸、强碱和有机溶剂条件下使用。对于特殊用途，可采用该材料制备中空纤维超滤膜。(www.daowen.com)

（4）醋酸纤维素 由纤维素系与醋酸酐、醋酸和硫酸相作用进行乙酰化而制得。优点主要是透过速率大，截留盐的能力强，制造容易且价廉。但这种膜最高使用温度只有30℃，而且操作pH范围不能超出2～8的范围。

部分超滤膜的特性见表5-6。此外，聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇（PVA）、聚砜酰胺（PSA）等也可制备中空纤维超滤膜，但实际上应用较少。

表5-6 部分超滤膜的特性

注：PS：聚砜，CA：醋酸纤维素，C：纤维素，PAN：聚丙烯腈，PO：聚烯烃。

4.操作方式

目前，工业上常用的超滤膜器件主要有下列五种类型：板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式和毛细管式，其主要特征见表5-7。

表5-7 几种超滤操作方式特性比较

各种操作方式均有不同的适用性，在工业上应用最为广泛的是中空纤维式，特别是在净化、分离的应用中。而在黏度较高的溶液净化、分离、浓缩过程中，则板框式或圆管式有更大的适用性。

中空纤维超滤膜为超滤技术中的一个重要分支，它是由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成的，其结构见图5-9。严格地讲，内径为40～80μm的膜称为中空纤维膜，其耐压能力较高，也可用于反渗透。中空纤维超滤膜分为内压型及外压型两种。外压型原液在中空纤维外侧加压流动，流动容易形成沟流效应，凝胶吸附层的控制比较难；而内压型在中空纤维内腔中加压流动，为防止堵塞，需对料液进行预处理，除去其中的微粒。

图5-9 中空纤维膜构造

由于中空纤维式超滤膜结构的特殊性，膜无支承体，成型工艺的连续性、均一性良好，结构简单，具有超滤液易于保持纯洁等优点，在超滤领域中的应用已占首要地位。

5.超滤的特点

（1）超滤过程无相际变化，可以在常温及低压下进行分离，条件温和，引起的酶蛋白变性失效少，因而能耗低。

（2）设备体积小，结构简单，故投资费用低，易于实施。

（3）超滤分离过程只是简单的加压输送液体，工艺流程简单，易于操作管理，适合大量样品的处理。

（4）缺点是只能达到粗分的要求，只能将分子质量相差较大的蛋白质分开。