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膜过滤技术及其应用范围介绍
北京陶普森膜应用工程技术有限公司孙永杰
过滤是分离液体中固体性颗粒的常用方法之一。我们熟悉的土
壤就是一个天然过滤器,池塘、湖泊和河流中的地表水在通过不同类
型的土壤之后,渗透聚积成相对洁净的地下水,土壤让水透过的时候
截留了其它成分,如颗粒物和污染物等,而渗透到深处的地下水得到
了净化。
过滤是实验室常用的物料分离技术。从筛网、滤纸到膜滤器等技
术手段的延伸、发展,促进了产品提纯技术的提高,净化效果明显,
分离精度大大提高。在能量消耗,过滤效果和操作简便方面,相比于
传统的分离方法如蒸馏或结晶,膜过滤技术的表现优于其他分离过程。
在许多分离领域,膜过滤克服了传统技术局限性,尤其对生化或药物
的加工应用过程,膜技术的应用提高了产品品质和收率,因为其中的
蛋白质和有效成分大多是热敏感的。因膜过滤为物理过滤方式,膜
材质稳定性强,经验证的实验室过滤工艺,很容易被放大和改进,更
易成功应用到实际的大规模生产中。
在生物和制药技术行业的许多领域,包括食品和饮料行业,生物
技术和饮用水处理行业,都普遍使用过滤膜用于过滤。
过滤膜的工作原理:膜过滤器的原理类似于上面提到的地下水渗
透过程,人工制备的膜相当于地表土层,待过滤的溶液中一部分的小
分子物质可以通过薄膜的微孔,其渗透性取决于孔的大小。比滤膜
孔更小的颗粒可透过滤膜,而比滤膜孔大的颗粒就被截留下来。
一般情况下,膜的孔径决定了应用,根据孔径的大小,将不同的
过滤膜技术分为四类:微滤,超滤和纳滤以及反渗透。
1.微滤膜技术
过滤膜的孔径一般在5μm和0.1μm之间。在微生物实验中经
常被使用孔径为0.1μm至0.2μm的膜,可以分离出酵母菌和细菌,
是一种温和快速的杀菌方法。在工业化生产上,这种滤膜技术通常为
过滤器的滤芯,广泛应用在医药,食品和饮料工业生产线中。例如,
生物制药厂用于生物反应器中微生物生长阶段之后的“收获”和细菌
菌体的分离,废水处理或浑浊液的油水分离等。
2.超滤膜技术
超滤技术常常用于大分子的浓缩和脱水,超滤膜过滤“孔径”
在0.1μm和0.01μm之间。由于该技术主要用于分离或浓缩蛋白质
分子,所以膜的过滤孔径被定义为“分子量切断”(MWCO)或“标称
分子量切断”(NMWC),单位为道尔顿(质量单位,等于一氧原子的1/16)。
MWCO值表示可被膜截留的球状分子的小分子量。为了安全起见,
应总是选择MWCO值至少比要分离的大分子的分子量高20%。这种
膜过滤技术的应用操作压力,通常在2-10巴之间。
3.纳滤技术
是纳米级过滤技术的简称,纳米级过滤的膜过滤器,其孔径小于
0.005μm,可截留更小的有机分子和大部分盐类物质,以及重金属离
子等。陶普森纳米级过滤需要更高的外部压力,过滤压力一般在
10-80巴之间。
纳米级过滤膜技术主要用于制药和生物技术工业中处理可回收
物质,并可应用于污水处理中的污染物截留。中国政府加大环境治理
力度,严格控制工业排污,如何有效进行污水处理和回收有用物料成
为生产企业的重要课题,陶普森公司提供的纳米级过滤膜产品可以帮
助您解决这些难题。
实际应用中,膜过滤器“串联”起来使用的效果更好。具有不
同孔径的膜过滤器可用于分离不同尺寸的粒子分离。例如预过滤器
可以用来分离胶体、淤泥和悬浮颗粒,后续过滤过程中,膜过滤器的
孔径可以逐渐减小,可获得所需的溶液纯度或不同大小的分子级。
膜过滤工艺简便且效果明显,不仅用过滤器进行消毒或浓缩,还
可用于一些溶剂和缓冲液的日常精细过滤。许多分析仪器如HPLC
或UHPLC系统,需要使用极其清洁和无颗粒的溶液,以防止毛细管
堵塞和敏感的高孔隙吸附剂失活。因此,对于今天高科技的分析技
术和仪器来说,可靠的纳米过滤膜是不可忽视和非常重要的。
4.反渗透膜技术
我们知道,“渗透”通常是指水从稀溶液一侧通过半透膜向浓溶
液一侧自发流动、透过的过程。这是因为浓溶液侧的渗透压低于稀溶
液一侧的缘故,浓溶液一侧随着水的不断流入而被逐渐稀释。当稀溶
液中的水向浓溶液流动而产生的压力(势能高)足够用来阻止水继续
净流入时,渗透处于平衡状态,即达到动态平衡。当在浓溶液液上外
加压力,且该压力大于渗透压时,则浓溶液中的水就会
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