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滤膜的种类及结构(微电子,生物制药应用)

已有 845 次阅读 2024-5-19 16:04 |个人分类:科研笔记|系统分类:科研笔记

过滤是一种最常见的分离纯化方法,通常用于液体或气体混合物的分离。其原理为:在外界推动力(重力,压力,离心力等)的作用下,位于过滤介质一侧的悬浮液(或气体)中的流体通过过滤介质向另一侧流动,而固体颗粒被介质所截留,从而实现流体与颗粒物体的分离膜过滤的过滤机制主要有三种:机械截留:这是最直接的过滤机制,颗粒物由于大于滤膜孔径而被截留。吸附截留:这是由于颗粒物与滤膜表面的相互作用而被截留,即使颗粒物的大小小于滤膜的孔径。架桥截留:这是指多个颗粒物形成的颗粒链阻塞了滤膜孔径,即使单个颗粒物的大小小于滤膜的孔径。 微孔滤膜基本原理与分类是怎样的?

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过滤介质通常要求具有多孔、理化性质稳定、耐用等特性。可作为过滤介质的材料很多,根据过滤机理的不同,过滤介质主要包括两大类:深层过滤(左图)和表面过滤(右图)

深层过滤,简单而言是一种粗过滤,使用的一般都是一些成本较低的过滤介质,如石英砂活性碳滤料或粗纤维滤料等。这些介质中的孔隙尺寸有一个很宽的范围,大小不一,悬浊液在通过过滤介质时,固体颗粒物被随机吸附或截留在这些孔隙之中,部分大颗粒一样可以透过滤膜。深层过滤介质的孔径只是一个标称的截留范围,并非100%截留界限。深层过滤的优势是吸附能力高,通常用于精细实验中预过滤。(深层过滤膜的孔径最大,最为疏松;预过滤膜孔径较小,也较为致密;菌级过滤器膜孔径最小,最为紧密)

表面过滤使用的过滤介质多为有较规整孔结构,孔径均一分布的高分子膜材料,比如混合纤维素,聚四氟乙烯PTFE,尼龙,聚醚砜及聚偏二氟乙烯PVDF等。表面过滤介质有很确切的截留孔径参数,悬浊液流过膜表面时,膜上均匀分布的细小的微孔只允许水及小于截留尺寸的小分子物质通过,而悬浊液中体积大于截留孔径的物质则100%被截留在膜的进液侧,实现对原液的分离和浓缩。表面过滤的特点是截留效果好,可以截留大于孔径的所有颗粒。但是过滤能力有限,适合用于精细过滤

微孔过滤膜的孔径一般在0.02-10微米左右。

微孔过滤膜的主要特征如下:(1)孔径均一 微孔过滤膜的孔径十分均匀。例如,平均孔径为0.45微米的膜,其孔径变化仅0.02微米。因此,微孔过滤具有很高的过滤精度。(2)孔隙率高 微孔过滤膜的孔隙率一般可高达80%左右。因此,过滤通量大,过滤所需的时间短。(3)滤膜薄 大部分微孔过滤膜的厚度在150微米左右,仅为深层过滤介质的1/10,甚至更小。所以,过滤时液体被过滤膜吸附而造成的损失很小。

微孔过滤的截留主要依靠机械筛分作用,吸附截留是次要的。微滤的过滤原理有三种:筛分、滤饼层过滤、深层过滤。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作用。此外,吸附和电性能等因素对截留率也有影响。其有效分离范围为0.1-10μm的粒子,操作静压差为0.01-0.2MPa。

聚偏氟乙烯(PVDF)膜

聚偏氟乙烯(PVDF)是一种白色的半结晶性聚合物,结晶度为 60%~80%,分子式主要为:1716095818028.png

分子量为 400 k~600 k,氟元素比重为 59%,相对密度约为 1.75~1.78 g/cm3 ,正常储存条件下吸水率 小于 0.04%。PVDF 具有:1) 广泛的温度使用范围,在−40℃~150℃的下,可长期使用;2) 机械强度高, 拉伸强度为 500 kg/cm3 ,同时也具有极强的耐冲击性;3) 抗紫外线性能优越,在波长 2k~4k Å 的光线辐 照下,分子结构几乎不受影响;4) 化学稳定性良好,不会被酸、碱、强氧化剂和卤素等腐蚀或者分解

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由其分子式可知,天然的PVDF 表面疏水性极强,这使得其在应用过程过膜压力较高,且会因疏水性有机物吸附在膜表面 及膜孔内导致严重膜污染;另一方面,纯 PVDF 膜表层结构较致密、表面孔隙率极低,造成渗透性能较 差。所以增强膜表面亲水性以提高膜抗污染能力和提升膜的渗透性能成为了 PVDF 膜改性的研究重点表面涂覆改性:将亲水性物质涂覆在膜表面,使其与膜表面通过氢键或范德华力等作用形成亲水层, 从而改善膜表面的亲水性以及抗污污染能力,操作简单是表面涂覆改性的最明显的优点,而这种方法的缺点在于膜反复使用后会 存在亲水层脱落的问题,且涂层涂覆的太致密也会降低膜的通量表面化学改性:膜表面化学改性是指利用化学处理的方法将亲水性的基团直接引入到膜表面来改善膜的亲水性能, 从而增强 PVDF 膜的抗污染性能和通量。该改性手段优点是亲水基团不易脱落,膜长期保持亲水性, 缺点则是对膜化学处理的过程中改变了 PVDF 化学结构而影响化学稳定性

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例如:德亿洲公司自主研发的高通量亲水性聚偏氟乙烯滤膜:滤膜具有亲水性、绝对过滤精度广泛的化学相容性、化学稳定性极佳、适用的PH值范围广1-13;端盖,外壳,导流材料材质为聚丙烯材料,利用热粘合技术,不使用粘合剂,超少的溶出物,有效控制溶出物析出。采用超亲水PVDF膜,合理的结构配置,使得PVDF膜的高流速优势得以发挥的同时,并能提高滤芯的纳污量,延长使用寿命,特别适合在大宗物料过滤中应用。

聚丙烯滤膜(迈博瑞

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聚丙烯PP过滤膜是由PP超细纤维经热熔粘连在一起制作而成的深层过滤膜(一种疏水性有机微孔滤膜),具有良好的化学稳定性、良好的化学兼容性(水溶液、酒精溶液中)、很好的相容性等特点,适用于工业过程(气体过滤)、化学过程、光刻胶生产、汽车行业的应用。由于聚丙烯是一种纯碳氢化合物材料,与其他疏水膜(如PVDF或PTFE)相比,PP膜不存在与卤素含量相关的处理问题PP微滤膜以食品级等规的聚丙烯为原料,生产全过程无任何添加剂。PP滤膜具有良好的热稳定性与化学兼容性、孔隙率高、纳污量大、可反冲和高温消毒、耐压性好等特点,PP滤膜的过滤原理主 要是通过其微孔大小、孔径分布及表面形态来实现对物质的筛选、拦截和分离。当待过滤液体或气体通过滤膜时,较大分子、颗粒、细菌、病毒等会被滤膜表面的孔洞拦截,而较小分子则可以通过孔径进入滤液或滤气的另一侧。

有机系微孔滤膜是疏水性微孔滤膜,适用有机溶液(化学适用)。水系滤膜是亲水性微孔滤膜,应用于水溶液(如生命科学),不耐有机溶液。聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯膜(PTFE滤膜)、聚偏氟乙烯膜(PVDF滤膜)为有机系微孔滤膜;醋酸纤维素膜(CA膜)、硝酸纤维素膜(NC膜)、聚醚砜滤膜(PES滤膜)为水系滤膜

例如:杭州科百特过滤器材有限公司

低析出:完全由聚丙烯材料构成,利用热粘合技术,不使用粘合剂,超少的溶出物,有效控制溶出物析出。

梯度过滤结构:由外到内的梯度设计,避免了凝结的slurry过快堵塞滤膜表层,充分利用纳污空间。

       

有效过滤:独特的卷绕设计,能够实现对CMP的slurry精准过滤。高效拦截大颗粒,放行有效颗粒。

防止纤维脱落:特有的网罩结构,防止了滤芯的纤维脱落。

尼龙滤膜

尼龙滤膜(Nylon滤膜)是一种天然亲水的有机高分子微孔滤膜,采用100%的纯PA66加工制作而成,具有良好的耐温性(最高工作温度90℃),化学性质稳定,能够有效过滤所有水溶液和大部分有机溶剂(如醇类、烃类、醚类、酯类、酮类)等,耐受稀酸和稀碱等多种有机和无机化合物(酸碱耐受范围PH:2-13),机械强度高,耐撕扯、溶出物极低。

如何选择微孔滤膜

选择微孔滤膜需要考虑多个因素,包括以下几点:

孔径大小:选择适当的孔径大小是非常重要的,这取决于你需要过滤的物质的大小。

滤膜材质:滤膜的材质也是一个重要的选择因素,不同的材质有不同的化学稳定性、热稳定性和机械强度。

流量和压力:滤膜的流量和压力是决定滤膜性能的重要参数。高流量和低压力的滤膜通常更适合大规模的工业应用。

耐污染性:滤膜的耐污染性是决定滤膜寿命的重要因素。如果你需要处理的液体中含有大量的悬浮物或颗粒物,可能需要选择具有高耐污染性的滤膜。

成本:滤膜的价格也是一个需要考虑的因素。在满足应用需求的前提下,应尽量选择性价比高的滤膜。

兼容性:滤膜需要与过滤系统的其他组件(如泵、管道等)兼容,以确保整个系统的效率和稳定性。



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1 黄振鹏

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