超滤(Ultrafiltration，UF)是一种利用流体沿切线方向流动和压力作为驱动力的过滤技术，它能够根据颗粒的分子量大小进行分离。这种技术所使用的超滤膜，介于纳滤和微滤之间，孔径在1nm~50nm之间，属于微孔过滤膜的范畴，能够有效地去除溶液中的大分子溶质或悬浮小颗粒。超滤膜过滤技术主要凭借压力差作为推动力，实现对流体中不同大小颗粒的高效分离。近年来，随着材料科学的发展，超滤膜在其应用过程中，已逐步取代或提升了很多传统的过滤工艺，不仅在高端技术工业，如电子、生物制药、科学研究及质量检测等领域中成为不可或缺的手段之一，在饮用水的处理、海水淡化、食品发酵工业、污水净化、酶的浓缩、血液透析、中草药提纯精制等方面也有着相当广泛的应用，为人们的日常生活提供便利。现代生物技术和食品工业的进步加速了膜技术的进步，为超滤技术的发展提供新的机遇。本文将综述介绍国内外超滤膜材料的研究进展及其在各个领域中的应用。
1 在水处理方面的应用
超滤技术在水处理方面的应用主要包括饮用水处理、海水淡化、污水回收处理等方面。
1.1饮用水处理
随着人们生活水平的提高和对饮水健康的重视，行业对饮用水的水质提出了新的要求。传统的水处理技术包括投药、凝聚、絮凝、沉淀、过滤和杀菌等过程，只能除去一般的有机类污染物，对微生物和金属离子污染物的处理能力有限，且会产生一些消毒副产物，处理后的水质的安全性得不到保障，已经满足不了人们对高水质的要求。在这种背景下，膜分离技术在水处理领域表现出机遇。
与传统工艺相比，超滤膜能更加彻底地去除水中的悬浮颗粒和胶体物质，可将超滤液的浊度降低至0.1NTU以下，远低于2006年颁布的《生活饮用水卫生标准》的要求。对于相对分子质量500~500000的大分子物质如糖类、蛋白质，以及染料、乳化油有很好的分析效果。超滤技术对水质的适应能力很强，可自由调节，结合其他工艺能针对性地去除传统工艺难以除去的物质，如:利用粉末活性炭-超滤联合工艺(PAC+UF)处理饮用水，将溶解性有机物分子(如三卤甲烷)转移至固相，再通过超滤的筛分原理去除;利用离子一高分子聚合物复合超滤膜工艺,可大幅降低水中表面活性剂类污染物含量;利用聚乙烯亚胺(Polyethylenimine,PEI)络合超滤技术,可在一定压力下对水中六价铬离子实现86%以上的截留率;采用混凝一超滤联合工艺可明显提高水中分子量小于6000道尔顿的溶解性有机物,且微絮体在膜表面沉积形成的滤饼可进一步加强过滤效果。超滤技术如今已经成为我国矿泉水生产的主体净化技术。
1.2海水淡化
海洋面积占地表总面积的71%左右，总量极其丰富，人们日常生活和工业生产中需要大量的淡水资源，在淡水资源愈发匮乏、分布不均的现状下，将丰富的海水资源转化为淡水是很有前景的研究方向。海水含盐量约为3.5%，大约是生理盐水含盐量的4倍，进入人体会引起细胞严重脱水，所以不适合饮用。目前主流的海水淡化技术为电渗析，虽然有稳定、环保、适应性强的优点，但其脱盐效果并不彻底(约为75%)，水回收率低(50%左右)，且能耗极其庞大，设备安装复杂，需增加精密分离设备,使其发展受到限制。膜分离技术具有很好的分离特性，可以有效地控制海水淡化过程中存在的反渗问题，显著提高海水淡化效率，能耗得到了明显地降低。在反渗透(Reverse osmosis,RO)及离子交换步骤前，若未将海水中的细菌、热原和藻类物质完全除去，其易在管道及膜表面上繁衍增殖，堵塞水路，污染RO膜。若先行使用UF预处理进水，则可将水中的大分子、胶体、微生物几乎全部除去，污染指数值(FoulingIndex，FI)小于1，达到降低能耗，延长RO膜的使用寿命，以及减少管路清洗次数的目的。不仅保证装置安全运行，而且提高了产品水的质量。采用膜生物反应器、活性污泥超滤耦合、絮凝超滤耦合等技术，可几乎完全除去化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)、氨氮和固体悬浮物,产品水大多可回用，亦可作为市政或灌溉用水。
1.3污水回收处理
生活污水成分复杂。其含有的P、K元素若直接排放到自然河流湖泊中，易造成水体富营养化，引起“赤潮”等灾害现象;含砷、铬、汞、铅、多环芳烃、多氯联苯、全氟物质等有毒物质难降解，不仅污染地下水，且其在生物体内蓄积，进而通过食物链危害人类健康;COD和生化需氧量(Biochemical oxygen demand，BOD)高的污水排放到河流中，会消耗水中的溶解氧，引起水中动植物死亡等。对于含油生活污水，传统方法需要消耗大量破乳剂，并且产生的黏稠淤泥在弃置前需要进一步处理，成本较高。若采用超滤技术处理，可截留绝大部分乳状油，透过液无需附加处理可直接排放，而油状物蓄积于浓缩液中，体积小，便于焚化、填埋等后续处理。对于含磷和表面活性剂较多的洗衣污水，经灭菌、超滤步骤，使透过液的FI值小于4，再经反渗透处理，可达到排放标准。
2 在食品工业中的应用
超滤技术在食品工业中的应用广泛，包括乳清回收、脱脂牛乳浓缩和果蔬汁澄清等。
2.1乳清回收
乳清中含有大量的乳糖和乳清蛋白，乳清蛋白营养价值很高，但多年来受制于分离技术的瓶颈，传统的将乳清加热干燥成乳清粉的方法无法分离乳糖和乳清蛋白，产品乳清粉中乳糖(73%)和矿物质(12%)含量过高，蛋白质含量仅为15%，这种极不协调的营养搭配限制了其在食品行业的应用，使得乳清多年来一直被作为饲料或丢弃排放。若直接采用超滤技术可将乳清蛋白几乎全部截留，乳糖和矿物质则进入透过液。浓缩液中几乎不含乳糖，再经反渗透、加热干燥，可得到高纯度的乳清蛋白粉，应用于市面上的营养品或保健品，大大扩大了乳清的使用场合。
2.2脱脂牛乳的浓缩
对脱脂牛乳进行浓缩，去除其部分水分，可减小其体积，降低包装、仓储、运输的费用，并延长其保藏时间。传统的浓缩工艺采用闪蒸等加热的方法，不仅能耗极高，高温的环境(68℃~72℃)也会对蛋白质有一定程度的破坏，降低营养价值。若先采用超滤方法除去牛奶中60%~80%的水分，再采用传统的方法蒸发浓缩,可显著降低能耗,加快生产效率,降低生产成本,并进一步保障了产品的营养价值。
2.3果蔬汁的澄清
大多数果蔬汁生产厂家采用的传统澄清工艺包括原料压榨、巴氏杀菌、酶化作用、沉降、硅藻土过滤、平板过滤等,工艺复杂,处理时间长,设备体积大,成本高,不仅容易引起细菌污染，对苹果汁等易被氧化的对象，很容易影响产品品质。采用超滤法生产果蔬汁有以下优势:速度快，获得率高，避免果蔬汁被过分氧化，产品口感和营养成分得到保障;无需加热便可除去细菌、酵母等微生物，减少能耗;减少离心机、压滤机、反应罐等设备体积和费用;可节省约60%的酶使用量，同时拥有可回收果胶,成本低,废水废渣排放少的优点。采用超滤法澄清果蔬汁后，汇源果汁公司的果蔬汁损失减少2%，生产速度提高一倍，节约了2/3的劳动力。
3 在生物和医学领域的应用
超滤技术在生物和医学领域有重要应用，包括酶的浓缩、血液透析和中草药提纯精制。
3.1酶的浓缩
酶是一种由生物体产生的具有特殊催化功能的蛋白质。传统的酶分离提取工艺，如离心除菌体，多次硫酸铵或酒精沉淀，或双液相分离，再经透析浓缩、脱盐等步骤，不仅时间长，而且化学药品消耗量大，工序复杂，回收率低，成本较高，不适于工业化生产。采用中空纤维超滤膜浓缩连续循环工艺，在50kPa~700kPa压力下，随着超滤液的不断流出，浓缩液反复不断循环浓缩，直至达到所需浓度为止。浓缩完毕后反复使用超滤液清洗，可使膜恢复至原来的能力。与传统酶浓缩工艺相比，超滤膜通量大、强度高、耐药洗，可用于死端、错流、循环错流运行方式;通过定期物理和化学清洗等可去除污染物，保障膜系统长期稳定运行;节省设备成本和占地面积;在提高产品纯度的同时，缓解环保压力。
3.2血液透析
血液透析是散布于血液中的溶解物透过半透膜进入透析液，反之亦然的过程。当血液引入透析器时，其中的代谢产物如尿素、肌酐，以及过多的电解质等可通过以超滤膜为主体的透析系统进入透析液，而透析液中的碳酸氢盐等物质也可通过透析膜进入血液中，达到清除体内代谢废物和纠正电解质和酸碱平衡的治疗目的。在血液透析中，除去患者体内的多余水分是一个重要的问题，而单靠浓度差引起的渗透作用是远远不够的。超滤过程在血液侧施加压力，增大膜两侧的压力差，可以显著增加体内水分的排出速率，从而使人工肾机实现模拟肾衰竭患者排尿的过程，超滤量、超滤速度、时间等都易调控，对患者的代谢情况和心率有很好的适应性，真正为患者的生命健康带来福音。
3.3中草药提纯精制
中草药的化学成果所含成分十分复杂,既含有多种有效成分，又有无效成分，也包含有毒成分。提取其有效成分并进行分离、纯化，最终得到的有效单体是中草药是目前研究领域中的一项重要内容。中草药提取就是利用过滤技术最大限度提取其中有效成分，使中草药制剂的整体质量以及临床治疗效果得到显著提升，能最大限度地发挥中草药的药用价值。与此同时，细菌与热原的去除也是中草药制剂生产过程中必不可少的环节。中草药在水煎煮之后并不能将有害的病菌和热原完全去除，不仅药效会受到一定程度的影响，还会增加服用者患上其他疾病的可能。传统的除热源方法是在水煎煮之后加入一定量的活性炭，然后加热、澄清、平板过滤，一方面会带入细小的炭粒，难以除去，另一方面药剂再度受热，可能会使有效成分分解，影响药效。热原的分子量一般在80~2000000之间，大部分可被超滤膜截留，部分色素也可被去除，能提高口服液的澄清度。水煎煮得到的药液经粗过滤、浓缩、澄清后，在50kPa~200kPa压力下进行超滤，超滤液可直接灌装。此过程条件温和，最大程度保证了原配方的成分;无相变，节约能源，有利于药厂安全生产;不引入异物，缩短了工艺流程。除热源效果可满足《中华人民共和国卫健委标准中药保护分册》的要求。
随着生物和材料科学的发展，超滤技术在我国及大部分发达国家已成为一个新兴的产业，作为化工生产中的一项单元，或作为食品生产及医药业中的一项重要步骤，已越来越不可或缺，越来越离不开我们的生活，并且超滤技术还拥有操作简易、能源消耗低、分离效果优异，以及可以回收污水中的有用物质，实现污水的可持续性使用等优点，成为治理环境污染中不可或缺的一部分。超滤技术不仅在饮用水的处理、海水淡化、食品发酵工业、污水净化、酶的浓缩、血液透析、中草药提纯精制等方面应用广泛,并且在不久的未来,超滤技术将在减少膜污染、延长使用寿命、开发低能耗组件及新型膜材料等方面继续改进提升，不断完善设备和工艺流程，其节能、高效、环保的优势将进一步提高，其应用领域将进一步扩展，带动诸多产业的发展。
