科学网【技术专题八】中空纤维膜分离原理与应
中空纤维膜（Hollow fiber membrane）外形像纤维状具有自支撑作用的膜，是非对称膜的一种，其致密层可位于纤维的外表面（如反渗透膜），也可位于纤维的内表面(如微滤膜和超滤膜)。中空纤维膜管壁上布满微孔，孔径以能截留物质的分子量表达，截留分子量可达几千至几十万。中空纤维膜组件最早是美国陶氏化学公司（The Dow Chemical Company）以醋酸纤维素（CA）为原料研制，由于聚丙烯腈（PAN）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PS）、聚醚砜（PES）等材料具有较好的耐酸碱性、耐微生物侵蚀、耐氧化性以及较好的机械强度，现在广泛用于中空纤维膜的制造。中空纤维膜组件所用的膜直径为0.2-2.5毫米，内外径之比为2-4，比毛细管膜（膜管直径约3-6毫米）、管式膜（膜管直径6-25毫米）要细得多。
图1 中空纤维膜丝截面SEM图
图2 中空纤维膜丝与组件
图3 中空纤维膜丝放大图
中空纤维膜分离采用动态“错流过滤”方式：即在压力驱动下，溶液在膜管内侧膜层表面以一定的流速高速流动，溶液中水、有机小分子、无机离子等尺寸小的物质可通过中空纤维壁上的微孔被传递到膜的另一侧，溶液中菌体、悬浮物、胶体、颗粒物、有机大分子等大尺寸物质则不能透过中空纤维壁而被截留，从而达到溶液中组分分离纯化的目的。
图4 中空纤维膜分离原理
二、应用范围
中空纤维膜主要应用于矿泉水净化、生产生活用水净化、医药提纯、果汁浓缩、水处理与回收等医药、化工、建筑、纺织、造纸、石化等行业。在制药和生物工程行业，主要应用于：
1、抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶制剂等发酵液的过滤澄清（除菌体与蛋白）
2、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的过滤去除；
3、中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤；
4、生物制品(多肽、骨肽、胸腺肽、牛血清蛋白、转移因子)的纯化与浓缩；
5、生物溶液脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程
图5 溶液中空纤维膜分离前后对比
三、应用特点
1、中空纤维膜使用过程中系统最高跨膜压力不超过0.2MPa，长期工作压力小于0.1MPa；
2、最高进液温度不能超过45oC，长期运行温度10-40oC；
3、膜组件应避免接触强酸、强碱，短时间清洗碱浓度应小于0.5%，长期运行pH应在2-12、3-10范围（依据不同产品）；
4、允许进料液内含固体颗粒粒径小于5微米；
5、膜组件停用时间超过一周，应将组件清洗干净并加入0.5%甲醛或次氯酸钠水溶液加以保护，以防生菌。停用半年以上，保护液应定期（2个月）更换。
图6 中空纤维膜分离组件
四、膜组件的清洗
在处理料液过程中，膜表面会存在不同程度的污染。清洗周期越短，膜性能恢复越好，使用寿命越长。清洗进行方法与正常分离过程相同，清洗液自原液入口处进入，浓缩液及滤出液全部返回清洗液容器，循环后排放，以净水洗净即可。清洗方式主要有物理清洗和化学清洗：
物理清洗：一般每批料液处理完后，用清水将膜组件内残余料液清洗干净，用清水以一定流速通过纤维内、外表面，将污染物洗出，时间约20-30分钟。
化学清洗：可用稀酸、稀碱或其他清洗剂进行化学清洗。在许多情况下，用稀碱液清洗膜较为有效。用0.5-1% 的氢氧化钠水溶液在膜系统内循环，浸泡20-60分钟，可取得较好的清洗效果。如果处理液中含有蛋白质，则可用0.5-1%碱性蛋白酶、胃蛋白酶进行浸泡清洗。
图7 中空纤维膜分离管件
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