3.2　微濾原理及其操作模式

3.2.1　微濾過程

微濾（MF）是以靜壓差為推動力，利用膜的“篩分”作用進行分離的壓力驅動型膜過程，微濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結構，在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，大于膜孔的粒子則被膜截留，使大小不同的組分得以分離，其作用相當于“過濾”。由于每平方厘米濾膜中約包含1000萬至1億個小孔，孔隙率占總體積的70%～80%，故阻力很小，過濾速度較快。

微濾主要用來從氣相和液相物質中截留微米及亞微米級的細小懸浮物、微生物、微粒、細菌、酵母、紅細胞、污染物等以達到凈化、分離和濃縮的目的。其操作壓差為0.01～0.2MPa，被分離粒子直徑的范圍為0.08～10μm。

微濾過濾時，介質不會脫落，沒有雜質溶出，無毒，使用和更換方便，使用壽命較長。同時，濾孔分布均勻，可將大于孔徑的微粒、細菌、污染物截留，濾液質量高。因此，它已成為現代大工業，尤其是尖端技術工業中確保產品質量的必要手段。

3.2.2　微濾分離機理

一般認為微濾的分離機理為篩分機理，膜的物理結構起決定性作用。此外，吸附和靜電作用等因素對截留也有一定的影響。葉凌碧等^［5］ 通過電鏡觀察認為，微濾膜的截留機理因其結構上的差異大體可分為如圖3-1所示的兩大類：

（1）膜表面層截留

①機械截留作用。膜可截留比它孔徑大或與孔徑相當的微粒等雜質，此為篩分作用。

②物理作用或吸附截留作用。如果過分強調篩分作用就會得出不符合實際的結論。普什（Pusch）等提出除孔徑因素之外，還要考慮吸附和靜電作用的影響。

③架橋作用。在孔的入口處，微粒因為架橋作用也同樣可被截留。

（2）膜內部截留　膜的網絡內部截留作用，是指將微粒截留在膜內部而不是在膜的表面。對于表面層截留（表面型）而言，其過程接近于絕對過濾，易清洗，但雜質捕捉量相對于深度型較少；而對于膜內部截留（深度型）而言，其（深度型）過程接近于公稱值過濾，雜質捕捉量較多，但不易清洗，多屬于用畢棄型。表面型或深度型過濾的壓降、流速與使用時間關系見圖3-2。

3.2.3　微濾操作模式

（1）無流動操作（靜態過濾或死端過濾、并流過濾）　原料液置于膜的上游，在壓差推動下，溶劑和小于膜孔的顆粒透過膜，大于膜孔的顆粒則被膜截留，該壓差還可通過在料液側加壓或在透過液側抽吸真空來產生（圖3-3）。在這種無流動操作中，被截留顆粒將在膜表面形成污染層，過濾阻力不斷增加，污染層不斷增厚和壓實。在操作壓力不變的情況下，膜滲透流率將下降。若維持恒定的膜通量， 則會引起膜兩側壓力降升高。因此無流動操作只能是間歇的，必須周期性地停下來清除膜表面的污染層或更換膜。無流動操作簡便易行，常用于實驗室等小規模場合。對于固含量低于0.1%的料液通常采用這種形式；固含量在0.1%～0.5%的料液則需進行預處理。

（2）錯流操作（動態過濾）　對固含量高于0.5%的料液常采用錯流操作（圖3-4）。原料液以切線方向流過膜表面，在壓力作用下透過膜，料液中的顆粒則被膜截留而在膜表面形成一層污染層。與無流動操作（靜態過濾）不同的是料液流經膜表面時產生的高剪切力可使沉積在膜表面的顆粒擴散返回主體流，從而被帶出微濾組件。當過濾導致的顆粒在膜表面的沉積速度與流體流經膜表面時由于速度梯度產生的剪切力引發的顆粒返回主體流的速度達到平衡時，可使該污染層不再無限增厚而保持在一個較薄的穩定水平上。因此，一旦污染層達到穩定，膜滲透流率就將在較長一段時間內保持在相對高的水平上。處理量大時，為避免膜被堵塞，宜采用錯流設計。它在控制濃差極化和污染層堆積方面是有效的。