3.2　微滤原理及其操作模式

3.2.1　微滤过程

微滤（MF）是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的压力驱动型膜过程，微滤膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子则被膜截留，使大小不同的组分得以分离，其作用相当于“过滤”。由于每平方厘米滤膜中约包含1000万至1亿个小孔，孔隙率占总体积的70%～80%，故阻力很小，过滤速度较快。

微滤主要用来从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红细胞、污染物等以达到净化、分离和浓缩的目的。其操作压差为0.01～0.2MPa，被分离粒子直径的范围为0.08～10μm。

微滤过滤时，介质不会脱落，没有杂质溶出，无毒，使用和更换方便，使用寿命较长。同时，滤孔分布均匀，可将大于孔径的微粒、细菌、污染物截留，滤液质量高。因此，它已成为现代大工业，尤其是尖端技术工业中确保产品质量的必要手段。

3.2.2　微滤分离机理

一般认为微滤的分离机理为筛分机理，膜的物理结构起决定性作用。此外，吸附和静电作用等因素对截留也有一定的影响。叶凌碧等^［5］ 通过电镜观察认为，微滤膜的截留机理因其结构上的差异大体可分为如图3-1所示的两大类：

图3-1　微滤膜各种截留作用的示意图

（1）膜表面层截留

①机械截留作用。膜可截留比它孔径大或与孔径相当的微粒等杂质，此为筛分作用。

②物理作用或吸附截留作用。如果过分强调筛分作用就会得出不符合实际的结论。普什（Pusch）等提出除孔径因素之外，还要考虑吸附和静电作用的影响。

③架桥作用。在孔的入口处，微粒因为架桥作用也同样可被截留。

（2）膜内部截留　膜的网络内部截留作用，是指将微粒截留在膜内部而不是在膜的表面。对于表面层截留（表面型）而言，其过程接近于绝对过滤，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，其（深度型）过程接近于公称值过滤，杂质捕捉量较多，但不易清洗，多属于用毕弃型。表面型或深度型过滤的压降、流速与使用时间关系见图3-2。

图3-2　表面型与深度型过滤的压降、流速与使用时间的关系

3.2.3　微滤操作模式

（1）无流动操作（静态过滤或死端过滤、并流过滤）　原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留，该压差还可通过在料液侧加压或在透过液侧抽吸真空来产生（图3-3）。在这种无流动操作中，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，过滤阻力不断增加，污染层不断增厚和压实。在操作压力不变的情况下，膜渗透流率将下降。若维持恒定的膜通量， 则会引起膜两侧压力降升高。因此无流动操作只能是间歇的，必须周期性地停下来清除膜表面的污染层或更换膜。无流动操作简便易行，常用于实验室等小规模场合。对于固含量低于0.1%的料液通常采用这种形式；固含量在0.1%～0.5%的料液则需进行预处理。

图3-3　无流动操作（静态过滤）

（2）错流操作（动态过滤）　对固含量高于0.5%的料液常采用错流操作（图3-4）。原料液以切线方向流过膜表面，在压力作用下透过膜，料液中的颗粒则被膜截留而在膜表面形成一层污染层。与无流动操作（静态过滤）不同的是料液流经膜表面时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。当过滤导致的颗粒在膜表面的沉积速度与流体流经膜表面时由于速度梯度产生的剪切力引发的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上。因此，一旦污染层达到稳定，膜渗透流率就将在较长一段时间内保持在相对高的水平上。处理量大时，为避免膜被堵塞，宜采用错流设计。它在控制浓差极化和污染层堆积方面是有效的。

图3-4　错流操作（动态过滤）