膜分离 MF/UF/NF/RO 模拟器 — MWCO 和通量设计

Q: MWCO(分子量截断)是什么？

MWCO(Molecular Weight Cut-Off)是该膜截留90%球形分子的分子量(Da)。例如MWCO 10,000 Da的UF膜可约90%去除分子量10,000的蛋白质。实际截留率因溶质尺寸(Stokes半径)、形状、电荷而异，棒状或柔性大分子可能透过低于MWCO值。本工具根据溶质MW/MWCO比值分段模型化：5倍以上99%、接近MWCO时90%左右、0.3倍以下50%以下。

Q: MF / UF / NF / RO 如何区分使用？

按孔径和分离对象粗分。MF(0.1-1 μm, 100-300 kPa)去除细菌、浊度、胶体，用于原水预处理、酿造除垢。UF(10-100 kDa, 100-800 kPa)浓缩蛋白质、病毒、大分子，用于乳业、医药纯化、原水高级处理。NF(200-1000 Da, 0.5-3 MPa)去除多价离子、有机物、农药，用于软化、漂洗。RO(<200 Da, 2-8 MPa)不透盐离子，用于海水淡化、超纯水制造。

Q: 通量(LMH)多少比较合适？

LMH = L/m²/h(单位面积单位时间透过液量)是膜的基本指标。UF/MF的50-100 LMH、NF的20-40 LMH、RO的10-25 LMH为标准可持续通量。高于此值污堵加速，CIP停运时间反而增加实际产量。本工具计算温度补正(+2.5%/°C)和污堵系数(0.1-1.0)后的实际通量，<10 LMH判为NG，CIP周期<14天为警告。

Q: 污堵与CIP(化学清洗)如何设计？

污堵是有机物、水垢、微生物在膜表面附着降低透过率的现象，运行中难以避免。本工具用污堵系数0.8表示健康运行、0.5表示寿命末期，CIP周期(天)≈30/(1-污堵系数)估算洗净频度。实务中月1次定期CIP加上通量降至初期80%时强制CIP为标准。碱洗→酸洗两段，40-50°C，循环2-3小时为典型，药品成本与膜寿命的平衡决定频率。

膜分离 MF/UF/NF/RO 模拟器 — MWCO 和通量设计

精密过滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)在一个界面中对比的工具。改变膜类型、溶质分子量、操作压力、温度、污堵系数，截留率、实际通量、透过流量、CIP周期实时显示，用于水处理厂或医药、食品工艺膜选型的初步评估。

参数设置

膜类型

自动设置孔径、MWCO、运行压力范围

溶质分子量

分离对象的分子量。蛋白质1万-数十万，盐类数十-数百

操作压 ΔP

kPa

膜间差压(TMP)。MF/UF 100-800、NF 500-3000、RO 2000-8000

膜面积 A

m²

设计通量 J0

LMH

目标通量。L/m²/h。新膜的目标值

温度 T

°C

液温每升高1°C通量约增加2.5%

污堵系数

1.0=新膜、0.8=健康运行、0.5=寿命末期

计算结果

—

MWCO (Da)

—

溶质截留率 R (%)

—

实际通量 (LMH)

—

透过流量 (m³/h)

—

污堵状态 (%)

—

CIP周期 (天)

—

膜断面可视化 — 进料、透过、截留

左为进料。大分子(红)被膜截留，小分子(蓝)和水(浅蓝)透过。膜表面灰层为污堵沉积。右侧柱表示实际通量。

截留率 vs 溶质分子量

通量 vs 操作压(新膜 vs 污堵)

理论与主要公式

$$J = \frac{L_p(\Delta P - \sigma\Delta\pi)}{1+\beta},\qquad R = 1 - \frac{C_p}{C_f}$$

J: 透过通量 [LMH]、L_p: 膜透过率、ΔP: 膜间差压、Δπ: 渗透压差、σ: 反射系数、β: 浓度分极项、R: 截留率、C_p/C_f: 透过/进料浓度。

$$Q_p = J\cdot A,\qquad J_T = J_{25}\cdot[1+0.025(T-25)]$$

Q_p: 透过流量 [m³/h](A: 膜面积 [m²])。J_T: 温度补正通量。液温每升高1°C粘度下降通量约增加2.5%。

$$T_{\text{CIP}} \approx \frac{30}{1-\phi_{\text{foul}}}$$

CIP周期 [天]。φ_foul为污堵系数(1.0=新膜、0.8=健康运行)。观测到通量低于阈值时执行强制CIP。

膜分离 MF/UF/NF/RO — MWCO 和通量设计

🙋

膜分离是不是就像工业版咖啡滤纸？MF、UF这些缩写那么多，它们有什么区别啊？

🎓

很好的比喻。本质上是"按孔径分类"的物理过滤，但孔径差4个数量级，作用完全不同。MF(精密过滤)孔径0.1-1 μm去除细菌和浊度。UF(超滤)10-100 kDa(=数纳米)截留蛋白质和病毒。NF(纳滤)200-1000 Da弹开多价离子和农药。RO(反渗透)<200 Da，几乎只透水分子，连盐都过不了。左边膜类型切换时你能看到MWCO从百万→万→百→百这样变化。

🙋

MWCO(分子量截断)是说这个分子量以上就全部挡住，是吗？可是默认"UF、MW=5000"时截留率才60%，怎么回事？

🎓

这正是膜分离的关键难点。MWCO只是"截留90%的那个分子量"，不是硬截断。实际上是"MWCO的5倍以上时99%"、"接近MWCO时90%"、"MWCO的一半时60-70%"这样平缓下降的。现在UF(MWCO 10,000 Da)处理MW=5,000，比值0.5即"截断边界的一半"，所以截留率约60%。看下面"截留率vs分子量"图就很清楚这个过渡。要完全挡住的话要么用MWCO的1/5以下的溶质，要么升级到更紧密的膜(比如NF)。

🙋

通量那里显示"设计60→实48 LMH"。污堵系数改成1.0又回到60了。污堵到底是什么？

🎓

污堵是有机物、水垢、微生物膜在膜表面堆积，导致透过率下降的现象。膜分离最大的敌人，运行中持续进行。健康的水处理厂污堵系数在0.7-0.8运行，低于0.5就"必须洗膜"了。本工具用 CIP周期≈30/(1-φ) 的简单模型估算洗净频度，系数0.8时约150天洗1次，0.5时约60天洗1次。实际的海水反渗透淡化厂1-3个月洗1次是行业标准。

🙋

CIP就是"就地清洗"吧。膜用什么洗？光用水冲就行？

🎓

只用水冲不行，油膜和水垢挂不掉。标准做法是"碱洗→水洗→酸洗→水洗"两段式，40-50°C加热，0.1-0.5%药液在模块里循环。碱液(NaOH或NaOCl)溶蛋白和油脂，酸液(柠檬酸或盐酸)溶碳酸钙和铁垢。乳制品UF膜每天洗1次，海水RO数月洗1次，用途不同频率差很大。药品成本和膜寿命的平衡，"通量跌到初期80%就强制CIP"是多数厂的规则。

🙋

反渗透的目标压力改成3000 kPa就收到警告了。压力越高通量越多不对吗？

🎓

这是现场最容易忽视的误区。新膜来看 J = L_p·ΔP 线性增长不假，但通量一高膜面溶质集中"浓度分极"就强化，超过某个压力后追加压力也增不了流量，这叫"限界通量"。再往上强行运行污堵会指数加速，反而因为CIP停运时间多实际产量下降。这叫"可持续通量"原则，低于这个值运行，UF/MF 50-100 LMH、NF 20-40、RO 10-25是全球经验共识。

常见问题

MWCO(Molecular Weight Cut-Off)是该膜截留90%球形分子的分子量(Da)。例如MWCO 10,000 Da的UF膜可约90%去除分子量10,000的蛋白质。实际截留率因溶质尺寸(Stokes半径)、形状、电荷而异，棒状或柔性大分子可能透过低于MWCO值。本工具根据溶质MW/MWCO比值分段模型化：5倍以上99%、接近MWCO时90%左右、0.3倍以下50%以下。

按孔径和分离对象粗分。MF(0.1-1 μm、100-300 kPa)去除细菌、浊度、胶体，用于原水预处理、酿造除垢。UF(10-100 kDa、100-800 kPa)浓缩蛋白质、病毒、大分子，用于乳业、医药纯化、原水高级处理。NF(200-1000 Da、0.5-3 MPa)去除多价离子、有机物、农药，用于软化、漂洗。RO(<200 Da、2-8 MPa)不透盐离子，用于海水淡化、超纯水制造。

LMH = L/m²/h(单位面积单位时间透过液量)是膜的基本指标。UF/MF的50-100 LMH、NF的20-40 LMH、RO的10-25 LMH为标准可持续通量。高于此值污堵加速，CIP停运时间反而增加实际产量。本工具计算温度补正(+2.5%/°C)和污堵系数(0.1-1.0)后的实际通量，<10 LMH判为NG，CIP周期<14天为警告。

污堵是有机物、水垢、微生物在膜表面附着降低透过率的现象，运行中难以避免。本工具用污堵系数0.8表示健康运行、0.5表示寿命末期，CIP周期(天)≈30/(1-污堵系数)估算洗净频度。实务中月1次定期CIP加上通量降至初期80%时强制CIP为标准。碱洗→酸洗两段，40-50°C，循环2-3小时为典型，药品成本与膜寿命的平衡决定频率。

实际应用

海水淡化(RO)：沙特、阿联酋、以色列、新加坡等水资源匮乏国家主要水源来自反渗透海水淡化。海水(盐度3.5%)渗透压约2.7 MPa，运行压设定5-8 MPa。能量回收装置(ERD)推广后单位电耗降至3-4 kWh/m³，2025年全球日淡水产量超1亿m³。本工具选RO模式、输入MW=58(NaCl)即可重现99%以上截留率。

原水处理、净水厂(MF/UF)：1990年代后为应对隐孢子虫等病原虫超氯消毒无法去除，UF膜被引入净水厂。日本已有100多处净水厂运行MF/UF。病原微生物截留率99.99%以上，原水水质波动也稳健。设计通量50-100 LMH，物理洗涤(逆洗、气水混合擦洗)15-60分钟/次为标准。

医药、生物制造(UF/NF)：单克隆抗体、疫苗精制用UF浓缩脱盐(渗析)是标准操作。MWCO 30 kDa的UF膜可在浓缩150 kDa抗体的同时脱除低分子盐和添加剂。GMP认证需完全洗净灭菌，中空纤维或平板膜采用PVDF、PES等材质为主。NF用于培养基回收、溶剂置换。

食品、乳制品(UF/NF)：奶酪生产用UF浓缩乳蛋白(MMV)，乳清中β-乳球蛋白也用UF回收。NF用于乳糖浓缩、调盐，海洋深层水脱盐也采用。本工具输入MW=66,000(牛血清蛋白)时UF膜显示99%截留率。

常见误解与注意要点

最大的误解是"比MWCO小就透，比MWCO大就挡"过度简化。实际膜孔径分布呈正态分布宽度，MWCO只是"90%截留点"的便宜标记。如本工具所示，MWCO的一半分子也只截留60%左右。棒状和柔性高分子比球形"更容易滑过"，仅按分子量判断会在中试时吃亏。实务必须实测目标溶质的实际截留率和Stokes半径。

其次是"压力越高通量越多"线性思维。新膜确实 J = L_p·ΔP 成立，但实液中溶质在膜面聚集"浓度分极"，超过某压力追加压力对通量贡献微乎其微，甚至出现"限界通量"现象。还硬压的话污堵指数加速，实际产量反而下跌。Field等提出的"可持续通量"以下运行是铁律，本工具<10 LMH判NG，高端上限经验值MF/UF 100、NF 40、RO 25 LMH。

最后是"污堵可逆，事后CIP就行"乐观论。污堵分"物理洗净就恢复的可逆污堵"和"CIP也回不来的不可逆污堵"两种。不可逆污堵基本由早期运行条件决定，特别是头几百小时高通量运行会永久堵塞膜孔径，透过性再也恢复不了。新装置"条件驯化运行"分阶段缓升通量，历时半月-1月很关键。标称3-5年膜寿命如果跳过这步，1年就报废了。

膜分离 MF/UF/NF/RO 模拟器 — MWCO 和通量设计

膜分离 MF/UF/NF/RO — MWCO 和通量设计

常见问题

实际应用

常见误解与注意要点

使用指南

具体计算示例

工程实施注意