实验五 中空纤维超滤膜分离

实验五中空纤维超滤膜分离

膜分离技术是近几十年迅速发展起来的一类新型分离技术。膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质与溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜分离法可用于液相和气相。对于液相分离可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其它微粒的水溶液体系。膜分离包括反渗透、超过滤、电渗析、微孔过滤等。膜分离过程具有无相态变化、设备简单、分离效率高、占地面积小、操作方便、能耗少、适应性强等优点。目前，在海水淡化、食品加工工业的浓缩分离、工业超纯水制备、工业废水处理等领域的应用越来越多。超过滤是膜分离技术的一个重要分支，通过实验掌握这项技术具有重要的意义。

一、实验目的

1、了解和熟悉超过滤膜分离的工艺过程；

2、了解膜分离技术的特点；

3、培养学生的实验操作技能。

二、分离机理

通常，以压力差为推动力的液相膜分离方法有反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)和微滤(MF)等方法。图1为各种渗透膜对不同物质的截留示意图。对于超滤（UF）而言，一种被广泛用来形象地分析超滤膜分离机理的说法是“筛分”理论。该理论认为，膜表面具有无数微孔，这些实际存在的孔径不同的孔眼象筛子一样，截留住了分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离的目的。

最简单的超滤器的工作原理，如图2所示，在一定的压力作用下，当含有高分子（A）和低分子（B）溶质的混合液流过被支撑的超滤膜表面时，溶剂（如水）和低分子溶质（如无机盐类）将透过超滤膜，作为透过液被收集起来，高分子溶质（如有机胶体）则被超滤膜截留而作为浓缩液被回收。应当指出的是，若超滤完全用“筛分”的概念来解释，则会非常含糊。在有些情况下，似乎孔径大小是物料分离的唯一支配因素，但对有些情况，超滤膜材料表面的化学特性起到决定性的截留作用。如有些膜的孔径既比溶剂分子大，又比溶质分子小，本不应具有截留功能，但令人意外的是，它仍具有明显的分离效果。由此可知，比较全面一些的解释是：在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学性质等，将分别起着不同的截留作用。因此，不能简单地分析超滤现象，孔结构是重要因素，但不是唯一因素，

另一重要因素是膜表面的化学性质。

图1 各种渗透膜对不同物质的截留示意图图2 超过滤工作原理示意图

三、实验设备、流程

1、实验设备：中空纤维超滤膜装置。

（1）膜组件结构如图3所示。

图3 中空纤维超滤膜组件

（2）膜组件技术指标。

本装置为双组件结构，外压式流程。组件技术指标：

截留分子量：6000；膜材料：聚砜中空纤维膜，有机玻璃膜外壳，管路及管件为ABS 塑料；流量范围：10-50L/h；操作压力：<0.2MPa；适用温度：5-30℃；膜面积：0.5m2；组件外尺寸：Ф50×480mm；pH：1-14；装置外形尺寸：长×宽×高=960×500×2000mm；泵：离心泵（严禁空转）；电源：AC220V，50Hz；预过滤器滤芯：材质为聚砜，精度5-10μ，若阻力增大，可以反吹。

2、实验流程如图4所示。

C1储槽中的清洗水或C2储槽中的溶液经过水泵加压至预过滤器，过滤掉杂质后，经过流量计及水切换阀F20至F5、膜组件1或F6、膜组件2，透过液经F11或F10至视窗流入C4，未透过液经F12或F9至F13取样或F14流入溶液储槽C2中。C3中的保护液经F8和F21至F5和F6进入膜组件；排放保护液时，打开F7阀，保护液流入C5中。

四、实验物料及分析方法

1、实验物料

保护液：1%甲醛水溶液。

聚乙二醇水溶液：液量35L（贮槽使用容积），浓度30mg/L。

料液配制：取聚乙二醇1.1g置于1000ml的烧杯中，加入800ml水，溶解。在贮槽内稀释至35L，并搅拌均匀。

2、分析方法

(1) 分析试剂及物品

聚乙二醇：MW20000，500g；冰乙酸：化学纯，500ml；

次硝酸铋：化学纯，500g；醋酸钠：化学纯，500g。

烧杯：100ml,5个；棕色容量瓶：100ml,2个；工业滤纸；蒸馏水。

图4 中空纤维超滤膜分离流程图

C1－清洗水储槽，C2－溶液储槽，C3－保护液高位槽，C4－透过液储槽，C5－保护液受液罐，F1、F2－C2和C1的排液阀，F3、F4－C2和C1的出口阀，F5、F6－组件1和2的入口阀，F7－排液阀，F8－保护液阀，F9、F12－组件1和2的出口调节阀，F10、F11－组件1和2的透过液切换阀，

F13－取样或排放阀，F14－未透过液循环阀，F15－串联阀，F16、F17－回流阀，F18－过滤器前阀，F19－过滤器排放阀，F20－水切换阀，F21－保护液切换阀，P-压力表。

所需仪器：

722光栅分光光度计

容量瓶：50mL,21个，100mL,6个，1000mL,1个；

移液管：0.5、1、2、3mL各1支，5mL,3支，25mL,3支；

量液管：10mL,2支；量筒：100mL,1个；500mL,1个。

(2)发色剂配制

① A液：准确称取0.800g次硝酸铋，置于50mL容量瓶中，加冰乙酸10mL，全溶，蒸馏水稀释至刻度。

② B液：准确称取20.000g碘化钾置于50mL棕色容量瓶中，蒸馏水稀释至刻度。

③ Dragendoff试剂（简称DF试剂）：量取A液、B液各5ml置与100ml棕色容量瓶中，加冰乙酸40ml, 蒸馏水稀释至刻度。有效期半年。（实际配制时，量取A液、B液各50mL 置与1000mL棕色容量瓶中，加冰乙酸400mL, 蒸馏水稀释至刻度）。

④醋酸缓冲液的配制：称取0.2mol/L醋酸钠溶液590ml及0.2mol/L冰乙酸溶液410mL 置于1000ml容量瓶中，配制成pH4.8醋酸缓冲液。

(3) 分析操作

①绘制标准曲线:准确称取在60℃下干燥4小时的聚乙二醇1.000g溶于1000ml容量瓶中（已配好），分别吸取聚乙二醇溶液0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mL稀释于100mL容量瓶内配成浓度为 5、10、15、20、25、30mL/L聚乙二醇标准溶液。再各取25ml加入50mL 容量瓶中，分别加入DF试剂及醋酸缓冲液各5mL，蒸馏水稀释至刻度，放置4小时，于波长510nm下，用1cm比色池，在722型分光光度计上测定光密度，蒸馏水为空白。以聚乙二醇浓度为横坐标，光密度为纵坐标作图，绘制出标准曲线。

②试样分析。取试样25ml置于50mL容量瓶中，分别加入5mLDF试剂和5ml醋酸缓冲液，加蒸馏水稀释至刻度，摇匀，静置30分钟～2小时，测定光密度，再从标准曲线上查浓度值。

五、实验步骤

方案一：固定压力（0.04MPa）,改变3次流量（分别为20、25、30L/h）

1、排超滤组件中的保护液

为防止中空纤维膜被微生物浸蚀而损伤，不工作期间，在超滤组件内加入保护液。在实验前，须将保护液放净。开启阀F7、F5、F6、F12、F9、F15，保护液由F7、C5处流出，用烧杯接盛，之后倒入装甲醛的容量瓶中。保护液停止流动后即认为保护液排完。

2、清洗超滤组件

关闭F7，打开F4、过滤器阀F18、流量计后水切换阀F20。将水泵电源线插入插座，按下水泵开启按扭，开泵，用蒸馏水清洗膜组件，开泵前确认F3关闭，F4打开。冲洗时，水流量30－35L/h。F15打开5分钟后关闭，F6稍关小，让水同时充满组件1和组件2，调节F6阀，使压力表1读数为0.04MPa，冲洗20分钟，清洗完毕。将清洗液倒掉，清洗液不要流入原料贮槽中。

3、排水

先关泵，关闭F4，打开阀F7、F15，将阀F12、F9稍开大些，排掉组件1、2及管路中

的水，组件中的水排完后中空纤维收缩，F7中无水排出时认为水已排净。用烧杯接水，不要流入原料贮槽中。排完水后除过滤器阀F18、流量计后水切换阀F20保持打开状态外，关闭其它所有阀门。将桶中水倒掉。

4、分离测样

①用干净烧杯取原料液样100ml，放置，待测光密度和浓度。

②打开阀F3、F5、F12、F13。用膜组件1分离物料。开泵（开泵前确认F3打开，F4关闭），流量为10L/h。调节F12阀，将压力表 1压力调节为0.04Mpa，几分钟后，窗口中有透过液出现，这时准确记录时间。在 C4处用烧杯接透过液1分钟，测量体积，计算流量,在F13处用烧杯接未透过液1分钟,计算流量。用烧杯各取100ml原料液、透过液和未透过液，用25ml移液管分别移取25ml原料液、透过液、未透过液试样于50ml容量瓶中，测定光密度。

③每隔20分钟取一次样，共取6次样，每次都要重新测量透过液和未透过液流量，重新取样测定光密度。每次所取样都要标记清楚（如原料液0，原料液1，透过液1，未透过液1；原料液2，透过液2，未透过液2等）。

④改变流量（分别为10、15、20、25、30 L/h），重复步骤①、②、③（注意始终保持压力表1压力为0.04Mpa）；

⑤停泵，关闭F3，打开F4。

⑥放掉膜组件及管路中的原料液。打开阀F7、F6、F15，将膜组件中的原料液排入原料贮槽中。

5、清洗膜组件

待膜组件中的原料液流完后，关闭F7。打开F9，开泵，开泵前确认F3关闭，F4打开。清洗膜组件5分钟后，F15关闭，调节F12、F9，使压力表1、2读数为0.02Mpa,视窗中有透过液出现，继续清洗15分钟，清洗液不要流入原料贮槽中。打开阀F7、F15，排尽膜组件及管路中的水。关闭阀F7、流量计后水切换阀F20。

6、加保护液

将实验前放出来的保护液加入保护液贮槽C3中。打开阀F8，保护液切换阀F21（确认水切换阀F20已关闭），膜组件中加入保护液，中空纤维膨胀，待膜组件中保护液加满后，关闭所有阀门。

7、测标准溶液的光密度，绘标准曲线，测试样的光密度，从标准曲线上查试样浓度。

8、将仪器清洗干净，放在指定位置，切断分光光度计的电源。实验结束。

方案二、改变4次压力（分别为0.03 、0.05、0.06、0.07Mpa），改变4次流量（分别为15、20、25、30 L/h）。

1、调节压力表1压力为0.03 Mpa，改变4次流量（分别为15、20、25、30 L/h），每个流量只做20min，取一次样,其它同方案一；

2、改变压力，在不同压力下分别改变4次流量，取样同上。

六、数据处理

1、按下表记录实验条件和资料

压力（表压）： Mpa 温度： ℃ 时期： 年 月 日

2、数据处理

（1） 聚乙二醇的脱除率

%100?=

原料液初始浓度液浓度

原料液初始浓度－透过f

%1001

1?=

--i i

i C C C f 原透原－ （ i=1,6）

（2） 透过流速：

)min m (2?=?ml J 膜面积

透过液流量

膜面积实验时间透过液体积＝

A

Q A T V J i i 透透=

?= (3)聚乙二醇回收率

()%100%

100%100??-??=???=?=

原料液浓度

透过液体积初始原料液体积浓度

时间未透过液流量原料液浓度

原料液体积浓度

未透过液体积原料液中聚乙二醇量未透过液中聚乙二醇量Y ()%

100%100%1001

??-??=

???=

?=-i

i i i

i i

i i i i

i C V V

C T Q C V C V M m Y 原透原未未原原未未原未

其中:

T

Q V i i ?=透透

（4）在座标上绘出不同流量Q 下回收率Y---取样时间T 的关系曲线；（方案一） （5）在座标上标出不同时间T 下回收率Y---流量Q 的关系曲线；（方案一） （6）用origin 软件绘出渗透流率J---压力P 的关系曲线，并回归出曲线方程；（方案二）

（7）用origin 软件绘出回收率Y---流量Q 的关系曲线，并回归出曲线方程。（方案二）

七、思考题

1、试论述超过滤膜分离的机理。

2、超过滤组件中加保护液的意义？

3、实验中如果操作压力过高会有什么结果？

4、提高料液的温度对超滤有什么影响？

5、讨论压力对渗透流率的影响。

6、讨论流量对回收率的影响。

5、阅读参考文献，回答什么是浓差极化？有什么危害？有哪些消除的方法？

数据记录示例

数据处理示例

（1） 脱除率计算：%100?=原料液初始浓度

液浓度原料液初始浓度－透过f

%1001

1?=

--i i

i C C C f 原透原－

（2）透过流速计算：

)min m (2?=?ml J 膜面积

透过液流量

膜面积实验时间透过液体积＝

A

Q A T V J i i 透透=

?=

（3）聚乙二醇回收率计算：

()%100%

100%100??-??=???=?=

原料液浓度

透过液体积初始原料液体积浓度

时间未透过液流量原料液浓度

原料液体积浓度

未透过液体积原料液中聚乙二醇量未透过液中聚乙二醇量Y ()%

100%100%1001??-??=

???=

?=

-i

i i i

i i

i i i i

i C V V

C T

Q C V C V M m Y 原透原未未原原未未原未

其中: T Q V i i ?=透透