超滤技术的应用研究进展

超滤（ultrafiltration，UF）技术是介于微滤和纳滤之间的一种膜分离技术，平均孔径为3～100 nm，具有净化、分离、浓缩溶液等功能。其截留机理主要包括膜的筛分作用和静电作用，过滤介质为超滤膜，在两侧压力差的驱动下，只有低分子量溶质和水能够通过超滤膜，从而达到净化、分离、浓缩的目的。超滤膜技术应用范围广泛，最早使用的超滤膜是天然的动物脏器薄膜，最初的超滤一直作为一项实验工作而没有得到发展，直到20世纪70年代，超滤技术才进入工业应用的快速发展阶段。目前，超滤膜材料已从醋酸纤维素（CA）扩大到聚苯乙烯（PS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（PES）和尼龙（PA）等，截留分子量从103发展至106 。由于超滤具有设备简单、占地面积小、相态不变、操作压力低、材料要求低、设备简单等特点，其应用范围也从研究领域迅速延伸至实际应用领域，如电子、医药、电泳漆、饮料、食品化工、医疗和废水处理及回收利用等。
1 水处理
1.1 饮用水处理
随着经济社会的发展，水环境污染加剧，水源水质恶化，水中的污染物尤其是有机污染物越来越多。而传统的饮用水处理方法仅对一般的有机污染物起作用，对“两虫”、藻类的去除效果不佳，且消毒容易产生副产物。
新一代饮用水净化工艺应在提高处理效率、优化效果的同时，强调过程中无毒害物产生，能够提高资源和能源利用率，减轻污染负荷，改善环境质量。超滤技术能满足新一代饮用水净化工艺要求，去除饮用水中的“两虫”、病毒、细菌、藻类、水生生物，保障饮用水的安全性，目前已广泛应用于美国、日本等达国家的城市水厂。
超滤膜可截留水中绝大部分悬浮物、胶体，但无法去除溶解性小分子物质，阻碍超滤技术在饮用水处理中的应用。目前，国内外诸多学者研究发现，粉末活性炭（PAC）+超滤联用系统可将溶解的小分子污染物质转变为颗粒状态，从而被超滤工艺去除。
1.2 生活污水和工业废水处理
目前，水资源越来越缺乏，生活污水和工业废水的循环利用备受关注。杨 琦等采用超滤反渗透处理城市二级生活污水处理厂出水，研究发现超滤反渗透对处理后出水的总磷、总氮、总溶解固体、化学需氧量、氯离子的处理效率分别为95%、95%、99%、90%、97%以上，满足《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》（GB/T 18921―2002），可用于景观用水；除氮指标外，绝大部分指标满足饮用水水源标准。王立国等采用核桃壳过滤-超滤工艺处理油田含油污水，发现核桃壳过滤-超滤工艺可以显著降低水中油的质量浓度和悬浮物质量浓度，颗粒平均去除率达99.09%，显著提高滤膜系数，处理后的水质满足《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》（SY/T 5329―94）中A1类标准的要求。
1.3 其他污水处理
目前，超滤膜技术还应用于电厂循环排污水的处理[9]、矿区冷却循环排污水的处理、纸浆和造纸漂白废水的处理[11]和钢铁企业排污水[12]等工业废水的处理。
2 食品方面的应用
超滤膜技术在食品方面的应用主要是果汁的浓缩、澄清、啤酒生产和营养成分的提取等。李庭等采用超滤技术及褐变控制生产出澄清的香蕉汁。许英一等[15]的研究发现，南瓜汁经过微滤后，选用截留相对分子质量5万的聚砜卷式超滤膜，在操作压力0.3 MPa，最适温度35 ℃时进行全回流超滤试验，膜通量至少可达到30.23 L/（m2?h），且得到澄清透明的南瓜汁饮料。孙 健等[16]研究发现，在室温2 ℃、自然pH值条件下，加入0.45 g/L壳聚糖，搅拌均匀后静置3.0 h，取上清液于0.06 MPa、25 ℃条件下超滤22 min，可去除大部分引起苹果酒沉淀、浑浊的物质，有效地提高了苹果酒澄清度，且对营养成分影响较小。目前，诸多学者采用超滤技术提取橙皮苷、蛋白质、多糖、三聚氰胺等物质。
超滤膜技术除了应用于成分的提取外，还可用于灭菌。马云等将超滤技术应用于酱油的灭菌、澄清中，提高了产品品质，延长了保质期。李平凡等研究了超滤膜在谷氨酸发酵液中的过滤效果及其清洗工艺，发现超滤膜可去除谷氨酸发酵液中逾98%的菌体、49%的化学需氧量、18%的游离态氨，而氨基酸基本无截留；超滤除菌后需用碱液、氧化液、酸液进行分步清洗，各种清洗溶液的最佳浓度分别为NaOH溶液20 g/L、漂白水30 g/L、硝酸溶液15 g/L。
3 医药和医疗方面的应用
3.1 医药方面
超滤技术在医药方面主要用于药物的分离精制、除热原、灭菌等，尤其是在抗生素及维生素的分离提取方面。李十中等[24]提出的超滤/萃取法从根本上解决了抗生素萃取过程的乳化问题，提高了萃取收率和产品质量。此外，Li等[25]利用超滤取代树脂脱色单元操作提取土霉素，研究发现，超滤技术可充分纯化土霉素结晶液并改善结晶，提高脱色过程收率；超滤与净化剂预处理相结合可有效提高土霉素质量和土霉素结晶收率。朱银惠等采用超滤法提取发酵液中的古龙酸，采用Suntar-Ⅲ膜组件，滤液质量高，过滤收率可以达到99.45%。
目前，生产过程中常利用活性炭吸附去除人参皂苷注射液制备过程中热原，该方法具有总皂苷损失量大、生产成本高等缺点。张英辉[27]采用超滤法去除人参皂苷注射液制备过程中热原，即可有效去除热原，又可减少人参总皂苷的损失，具有简便、可靠、效果好等优点。罗[28]利用超滤技术去除狂犬病疫苗生产过程中产生的细菌内毒素，抗原损失较少，并且富集了样品，能够满足疫苗生产的要求。
3.2 医疗方面
超滤技术可用于浓缩肝硬化或肝癌患者的腹水，治疗心力衰竭、心肺肾功能衰竭及体外循环等。杨建民等研究发现腹水闭合式超滤浓缩自体腹腔回输联合腔内化疗治疗晚期癌性腹水，该方法临床效果好、不良反应少，方法简便、安全可靠，可扩展用于各种类型顽固性腹水的治疗，迅速减轻患者的痛苦、提高其生存质量，是有效的“治标”方法，可以为进一步的治疗赢得时间。简 讯等[33]的研究发现，腹水超滤浓缩回输腹腔能明显改善尿毒症合并顽固性腹水患者机体免疫功能，回输腹水的温度对患者体液和细胞免疫变化不会产生明显的影响。