2.3　微滤膜分离过程

2.3.1　操作方式

微滤膜分离的操作方式有死端过滤和错流过滤，由料液中固含量的高低来选择操作方式。一般情况下，固含量低于0.1%的料液采用死端过滤；固含量在0.1%～0.5%的料液则需进行预处理或采用错流过滤；固含量高于0.5%的料液通常采用错流操作。

（1）死端过滤

如图2-22（a）所示，原料液置于膜的上游，在膜两侧压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒透过膜，原料液中大于膜孔的颗粒则被膜截留，该压差可通过原料液侧加压或透过液侧抽真空产生。这种在料液侧无流动操作中，随时间的延长，被截留颗粒将在膜表面形成凝胶层或滤饼层，使过滤阻力增加，随着过程的进行，滤饼层将不断增厚和压实，过滤阻力不断增加。在操作压力不变的情况下，膜渗透速率将下降。因此死端过滤只能是间歇的，必须周期性地停下来清除膜表面的滤饼层或更换膜。这种操作方式适合实验室等的小规模应用场合。

（2）错流过滤

微滤的错流操作类似于超滤和反渗透，如图2-22（b）所示，原料液以一定速度流过膜表面，溶剂在膜两侧压力作用下透过膜，料液中的部分颗粒则被膜截留而停留在膜表面形成一层污染层。与死端过滤不同的是料液流经膜表面时由速度梯度而产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主体流，从而被带出微滤组件。当颗粒在膜表面的沉积速度与颗粒返回主体流的速度达到平衡时，可使该污染层不再无限增厚而保持在一个较薄的稳定水平。因此一旦污染层达到稳定，膜渗透速率就将在较长一段时间内保持在相对高的水平上。

2.3.2　膜污染及控制

（1）微滤膜污染的原因

微滤过程中，膜污染通常是由于膜表面形成了附着层和膜孔道发生堵塞引起的。当溶质是水溶性大分子时，由于其扩散系数很小，造成从膜表面向料液主体的扩散的量也很小，因此膜表面的溶质浓度显著增高形成不可流动的凝胶层。膜表面的附着层也可能是水溶性高分子的吸附层和料液中悬浮物在膜表面上堆积起来的滤饼层。悬浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空间位阻，蛋白质等水溶性大分子在膜孔中的表面吸附，以及难溶性物质在膜孔中的析出都可能是产生膜堵塞的原因。

①膜孔堵塞　微滤膜孔被微粒和溶质堵塞而变小是错流微滤过程膜污染的主要原因。根据截留的机理微孔膜堵塞可分为三种情况：机械堵塞；架桥；吸附。机械堵塞是固体颗粒把膜孔完全堵住，而吸附是颗粒附着在孔壁上而使孔径变小，架桥也不完全堵塞孔道，而是形成大家所熟知的滤饼过滤。

在大多数情况下，过滤初期主要是机械堵塞，而后期主要是滤饼过滤。在滤饼形成以前，机械堵塞也是一个多因素影响过程。介质中固体颗粒的浓度、形状、刚性及其粒径分布都会产生影响，而膜孔结构也是影响堵塞的重要原因。由于微滤膜过滤大多是表面过滤，因此，膜表面孔的结构对其抗堵性能影响最大。一般认为，膜的抗堵性能与膜孔径分布有直接关系，分布越宽，抗堵性能越差。因此，在微滤过程中，应选择膜表面光滑、孔径分布较窄的膜。

②浓差极化及凝胶层　有关浓差极化及凝胶层的形成及其改善措施类同于超滤膜的污染，可参阅本书超滤的相关内容。

③溶质吸附　一旦料液与膜接触，膜污染就开始，大分子、胶体或细菌与膜相互作用而吸附或黏附在膜面上，从而改变膜的特性。但对微滤膜而言，这一影响并不十分明显。

④生物污染　利用板式薄流道微滤过滤器，错流三种试验液：a.0.1%BSA（牛血清蛋白）；b.0.5%硅粒子分散体系，粒径500～1000nm（接近细菌大小），用乙氧基取代部分羟基，亲水性硅粒子可改性为疏水性粒子；c.硅粒子和BSA混合液。实验结果表明：a.蛋白质在表面孔上架桥形成表面层是其微滤过程污染的主要原因；b.疏水粒子在膜表面上形成表面层；c.亲水粒子在膜表面上无表面层形成。

用微孔滤膜过滤纯BSA时发现，尽管蛋白质分子直径为膜孔径的 1/10，而且BSA分子本身不会使膜产生污染，但由于过滤过程中BSA分子之间、BSA分子与膜之间的相互作用使得BSA分子发生了变性（BSA分子空间结构发生了变化），从而使膜产生了严重的污染。

（2）微滤膜污染的控制

微孔滤膜的污染原因主要是滤饼层的形成及膜孔的堵塞，因而污染的防治就应从减少滤饼层的形成及防止膜孔堵塞开始。

①改变膜组件和组件结构，可有效地将颗粒截留在膜表面，避免颗粒进入膜孔内部，从而减少了膜孔的堵塞。在微滤膜分离过程中，天津工业大学膜天公司采用双向流工艺，通过对料液进出口方向进行周期性倒换，在分离过滤的同时，利用料液对污染较重一端进行清洗，以保持膜的良好通透效果，持续稳定地进行料液分离浓缩。

②采用亲水性微滤膜可减少蛋白质颗粒在膜表面的吸附，从而减少对膜的污染；另外，由于待分离的料液多带有负电荷，因此采用负电荷的微滤膜可有效地减少颗粒在膜表面的沉积，有利于降低膜的污染。

③采用絮凝沉淀、热处理、pH调节、加氯处理和活性炭吸附等手段对料液进行预处理，可降低膜的污染程度。

④提高料液流速使料液保持湍流状态，可减缓浓差极化，一般湍流体系中流速为1～3m/s，在层流体系中流速小于1m/s。

⑤操作温度主要影响所处理料液的化学、物理性质和生物稳定性，应在膜设备和处理物质允许的最高温度下进行操作，可以降低料液的黏度，从而增加传质效率，提高膜通量。例如，通常情况下，酶最高温度为25℃，电涂料为30℃，蛋白质为55℃，制奶工业为50～55℃。

（3）连续微滤（CMF）技术

该技术是20世纪末至21世纪初发展起来的。以微滤膜为中心处理单元，配以特殊设计的管路、阀门、自清洗单元、加药单元和PLC自控单元等，形成一闭路连续操作系统，使处理液在一定压力下通过膜过滤，达到分离的目的。当采用中空纤维微滤膜时，采用反洗加正冲曝气相结合的工艺，依靠上升气流的作用，使中空纤维摆动，彼此间相互摩擦碰撞，从而使中空纤维壁上附着的污染物剥离脱落，这样可实现同时对中空纤维膜的连续反洗和振荡清洗，而且由于反洗液不断透过中空纤维膜而进入膜组件外壳内，补充了因气流造成膜组件外壳内的缺水，从而使中空纤维膜充分振荡，使对中空纤维膜孔内的反洗和对中空纤维膜外壁的振荡清洗两者效果相互促进。图2-23为CMF系统流程示意图。