超濾是以壓力為推動力的膜分離技術之一。以大分子與小分子分離為目的,膜孔徑在20~1000埃(10-10m)之間。
在超濾過程中,水深液在壓力推動下,流經(jīng)膜表面,小于膜孔的水及小分子溶質透過膜,成為凈化液(濾清液),比膜孔大的溶質及溶質集團被截留,隨水流排出,成為深縮液。超濾過程為動態(tài)過濾,分離是在流動狀態(tài)下完成的。溶質僅在膜表面有限沉積,超濾速率衰減到一定程度而趨于平衡,且通過清洗可以恢復。
超濾起源于是1748年,Schmidt用棉花膠膜或璐膜分濾溶液,當施加一定壓力時,溶液(水)透過膜,而蛋白質、膠體等物質則被截留下來,其過濾精度遠遠超過濾紙,于是他提出超濾一語,1896年,Martin制出了第一張人工超濾膜,其20世紀60年代,分子量級概念的提出,是現(xiàn)代超濾的開始,70年代和80年代是高速發(fā)展期,90年代以后開始趨于成熟。我國對該項技術研究較晚,70年代尚處于研究期限,80年代末,才進入工業(yè)化生產和應用階段。
超濾裝置如同反滲透裝置,有板式、管式(內壓列管式和外壓管束式)、卷式、中空纖維式等形式。在超濾過程中,由于被截留的雜質在膜表面上不斷積累,會產生濃差極化現(xiàn)象,當膜面溶質濃度達到某一極限時即生成凝膠層,使膜的透水量急劇下降,這使得超濾的應用受到一定程度的限制。濃差極化乃是膜分離過程的自然現(xiàn)象,如何將此現(xiàn)象減輕到最低程度,是超濾技術的重要課題之一。目前采取的措施有:①提高膜面水流速度,以減小邊界層厚度,并使被截留的溶質及時由水帶走;②采取物理或化學的洗滌措施。
內壓式超濾膜工作原理如下圖所示:
超濾所用操作壓為4×104 Pa~7×105 Pa,用于分離大分子溶質。而反滲透所用的操作壓比超濾更大,常達到35×105 Pa~140×105 Pa,膜的平均孔徑最小,一般為10埃以下,用于分離小分子溶質,如海水脫鹽,制高純水等。
超濾工藝的主要優(yōu)點及缺點
超濾技術的優(yōu)點是操作簡便,成本低廉,不需增加任何化學試劑,尤其是超濾技術的實驗條件溫和,與蒸發(fā)、冷凍干燥相比沒有相的變化,而且不引起溫度、pH的變化,因而可以防止生物大分子的變性、失活和自溶。在生物大分子的制備技術中,超濾主要用于生物大分子的脫鹽、脫水和濃縮等。超濾法也有一定的局限性,它不能直接得到干粉制劑。對于蛋白質溶液,一般只能得到10~50%的濃度。