膜分离实验指导书

1、闽南师范大学 膜分离实验一.实验目的1了解膜的结构和影响膜分离效果的因素，包括膜材质、压力和流量等。 2了解膜分离的主要工艺参数，掌握膜组件性能的表征方法。3. 了解和熟悉超滤膜分离的工艺过程。 二.基本原理膜分离技术是最近几十年迅速发展起来的一类新型分离技术。膜分离是以对组分具有选择性透过功能的人工合成的或天然的高分子薄膜（或无机膜）为分离介质，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物的分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。其推动力可以为压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等。膜分离过程有多种，不同的过程所

2、采用的膜及施加的推动力不同，通常称进料液流侧为膜上游、透过液流侧为膜下游。微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）与反渗透（RO）都是以压力差为推动力的膜分离过程，当膜两侧施加一定的压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能。微滤膜的孔径范围为0.0510m，所施加的压力差为0.0150.2MPa；超滤分离的组分是大分子或直径不大于0.1m的微粒，其压差范围约为0.10.5MPa；反渗透常被用于截留溶液中的盐或其他小分子物质，所施加的压差与溶液中溶质的相对分子质量及浓

3、度有关，通常的压差在2MPa左右，也有高达10MPa的；介于反渗透与超滤之间的为纳滤过程，膜的脱盐率及操作压力通常比反渗透低，一般用于分离溶液中相对分子质量为几百至几千的物质。2.1微滤与超滤微滤过程中，被膜所截留的通常是颗粒性杂质，可将沉积在膜表明上的颗粒层视为滤饼层，则其实质与常规过滤过程近似。本实验中，以含颗粒的混浊液或悬浮液，经压差推动通过微滤膜组件，改变不同的料液流量，观察透过液测清液情况。对于超滤，筛分理论被广泛用来分析其分离机理。该理论认为，膜表面具有无数个微孔，这些实际存在的不同孔径的孔眼像筛子一样，截留住分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离的目的。应当指出的是，在有些情

4、况下，孔径大小是物料分离的决定因数；但对另一些情况，膜材料表面的化学特性却起到了决定性的截留作用。如有些膜的孔径既比溶剂分子大，又比溶质分子大，本不应具有截留功能，但令人意外的是，它却仍具有明显的分离效果。由此可见，膜的孔径大小和膜表面的化学性质将分别起着不同的截留作用。2.2膜性能的表征一般而言，膜组件的性能可用截留率（R）、透过液通量（J）和溶质浓缩倍数（N）来表示。 （11）式中， R截流率；原料液的浓度，kmol/m3；透过液的浓度，kmol/m3。对于不同溶质成分，在膜的正常工作压力和工作温度下，截留率不尽相同，因此这也是工业上选择膜组件的基本参数之一。 (12)式中， J 透过液通

5、量，L/(m2h)透过液的体积，L；S 膜面积，m2；t 分离时间，h。其中，即透过液的体积流量，在把透过液作为产品侧的某些膜分离过程中（如污水净化、海水淡化等），该值用来表征膜组件的工作能力。一般膜组件出厂，均有纯水通量这个参数，即用日常自来水（显然钙离子、镁离子等成为溶质成分）通过膜组件而得出的透过液通量。 (13)式中， N溶质浓缩倍数；浓缩液的浓度，kmol/m3；透过液的浓度，kmol/m3。 该值比较了浓缩液和透过液的分离程度，在某些以获取浓缩液为产品的膜分离过程中（如大分子提纯、生物酶浓缩等），是重要的表征参数。三.实验装置与流程本实验装置均为科研用膜，透过液通量和最大工作压力均

6、低于工业现场实际使用情况，实验中不可将膜组件在超压状态下工作。主要工艺参数如表1-1。膜组件膜材料膜面积/m2最大工作压力/Mpa微滤（MF）聚丙稀混纤0.50.15超滤（UF）聚砜聚丙稀0.10.15表1-1膜分离装置主要工艺参数对于微滤过程，可选用1浓度左右的碳酸钙溶液，或100目左右的双飞粉配成2左右的悬浮液，作为实验采用的料液。透过液用烧杯接取，观察它随料液浓度或流量变化，透过液侧清澈程度变化。本装置中的超滤孔径可分离分子量5万级别的大分子，医药科研上常用于截留大分子蛋白质或生物酶。作为演示实验，可选用分子量为6.7万6.8万的牛血清白蛋白配成0.02的水溶液作为料液，浓度分析采用紫外

7、分光光度计，即分别取各样品在紫外分光光度计下280nm处吸光度值，然后比较相对数值即可（也可事先作出浓度吸光度标准曲线供查值）。该物料泡沫较多，分析时取底下液体即可。 图1-1膜分离流程示意图四实验步骤及方法超滤膜分离以自来水为原料，考察料液通过超滤膜后，膜的渗透通量随时间的衰减情况，并考察操作压力和膜表面流速对渗透通量的影响。操作步骤如下： （1） 放出超滤组件中的保护液。（2） 用去离子水清洗加热50度后清洗超滤组件23次，时间30分钟。（3） 在原料液储槽中加入一定量的自来水后，打开低压料液泵回流阀和低压料液泵出口阀，打开超滤料液进口阀、超滤清液出口阀和浓液出口阀，则整个超滤单元回路已畅

8、通。（4） 启动泵至稳定运转后，通过泵出口阀门和超滤馏液出口阀门调节所需要的流量和压力，待稳定后每隔5分钟测量一定实验时间内的渗透液体积，做好记录（共12次）。（5） 调节膜后的压力为0.02MPa，稳定后，测量渗透液的体积,，做好记录。（6） 依次增加膜后的压力分别为0.04 MPa，0.06 MPa，0.08 MPa，1.0 MPa，分别测量渗透液的体积，做好记录。（7） 利用用去离子水清洗超滤组件23次，时间30分钟。（8） 加入保护液甲醛溶液于超滤膜组件中，然后密闭系统，避免保护液的损失。 注意事项 1 每个单元分离过程前，均应用清水彻底清洗该段回路，方可进行料液实验。清水清洗管路可仍

9、旧按实验单元回路，对于微滤组件则可拆开膜外壳，直接清洗滤芯，对于另三个膜组件则不可打开，否则膜组件和管路重新连接后可能造成漏水情况发生。2 整个单元操作结束后，先用清水洗完管路，之后在保护液储槽中配置0.5-1浓度的甲醛溶液，经保护液泵逐个将保护液打入各膜组件中，使膜组件浸泡在保护液中。以反渗透加保护液为例，说明该步操作如下：打开保护液泵出口阀和保护液泵回流阀，控制保护液进入膜组件压力也在膜正常工作下；打开反渗透料液进口阀，则料液测浸泡在保护液中；打开截止阀2和清液回流阀、反渗透清液出口阀，并打开清液排空阀，若清液测也浸泡在保护液中，可观察到保护液通过清液排空软管溢流回保护液储槽中；打开截止阀

10、2和浓液回流阀、反渗透浓液出口阀，并打开浓液液排空阀，若浓液液测也浸泡在保护液中，则可观察到保护液通过浓液排空软管溢流回保护液储槽中。3. 对于长期使用的膜组件，其吸附杂质较多，或者浓差极化明显，则膜分离性能显著下降。对于预滤和微滤组件 ，采取更换新内芯的手段；对于超滤、纳滤和反渗透组件，一般先采取反清洗手段，即将低浓度的料液溶液从透过液侧进入膜组件，同时关闭浓缩液侧出口阀，使料液反向通过膜内芯而从物料进口侧出液，在这个过程中，料液可溶解部分溶质而减少膜的吸附。若反清洗后膜组件仍无法回复分离性能（如基本的截留率显著下降），则表面膜组件使用寿命已到尽头，需更换新内芯。五实验数据处理与讨论1数据处

11、理：膜后压力P1=0.04MPa, 膜面积0.1/m2 时间浊液体积V1/ml清液体积V2/ml时间t/s总体积V3/ml透过液通量J/(L/m2*h)平均透过液通量J/(L/m2*h) t/min1012033101539.189.1612033101539.1812032101529.122012427101519.069.112527101529.1212527101529.123012525101509912525101509125251015094012621101478.828.8212621101478.8212621101478.825012720101478.828.7812

12、720101478.8212520101458.7图1膜后压力为0.04MPa时，透过液通量J与时间t关系图膜后压力P1=0.06MPa, 膜面积0.1/m2 时间浊液体积V1/ml清液体积V2/ml时间t/s总体积V3/ml透过液通量J/(L/m2*h)平均透过液通量J/(L/m2*h) t/min10123271015098.981232710150912326101498.942012226101488.888.8812226101488.8812226101488.883012126101478.828.7612026101468.7612025101458.7401202610146

13、8.768.7212025101458.712025101458.75012025101458.78.712025101458.712025101458.7图2膜后压力为0.06MPa时，透过液通量J与时间t关系图膜后压力P1=0.08MPa, 膜面积0.1/m2 时间浊液体积V1/ml清液体积V2/ml时间t/s总体积V3/ml透过液通量J/(L/m2*h)平均透过液通量J/(L/m2*h) t/min1011730101478.828.7611529101448.6411730101478.822011530101458.78.711530101458.711530101458.73011

14、429101438.588.6211529101448.6411529101448.644011428101428.528.5611528101438.5811528101438.585011527101428.528.511427101418.4611527101428.52图3膜后压力为0.08MPa时，透过液通量J与时间t关系图膜后压力P1=0.10MPa, 膜面积0.1/m2 时间浊液体积V1/ml清液体积V2/ml时间t/s总体积V3/ml透过液通量J/(L/m2*h)平均透过液通量J/(L/m2*h) t/min1011035101458.78.711135101468.76110

15、34101448.642011034101448.648.6210934101438.5811034101448.643011033101438.588.5811033101438.5811033101438.584011033101438.588.5410933101428.5210933101428.525010932101418.468.511032101428.5211032101428.52图4膜后压力为0.08MPa时，透过液通量J与时间t关系图2 数据处理举例：以膜后压力为0.04MPa时，过滤时间为10min的第三组数据为例：V3=V1+V2=125+25=150ml, s=0

16、.1/m2J1=V3/st=150/1000/(0.1*10/60)=9.0L/m2*h, 同理J2=9.0 L/m2*h，J3=9.0L/m2*h，故J平均=（J1+J2+J3）/3=9.0L/m2*h3 实验结果与讨论由以上图14的透过液通量J与时间t四个图可以看出：在相同时间内，随着时间的不断增加，膜的透过液通量不断的减小。在超滤过程中，随着超滤的进行，分子较大的聚乙二醇，被阻挡在膜前，待浓缩循环液加压于膜面，由于小分子物质的不断透过膜，以及每根膜管内壁边界层的存在，膜内表面形成高浓区，其高浓度区呈圆筒状，以膜管中心为对称轴，均梯度地分布于膜内表面。浓度达一定程度时，在高浓度区内附着于膜

17、内壁形成一个新的“皮”层，形成膜内表面的二次薄膜，使小分子物质透过膜的阻力大大增加，也使膜的有效管径变小，使之更易堵塞，因此产生了浓度极差，从而膜的透透过液通量也越来越少。五思考题1. 膜组件中加保护液有何意义？答：为了防止灰尘或者微生物进入膜组件，造成堵塞或者破坏，从而起到膜的保护作用。2. 查阅文献，回答什么是浓差极化？有什么危害？有哪些消除方法？答：在超滤过程中，待浓缩循环液加压于膜面，由于小分子物质的透过，以及每根膜管内壁边界层的存在，膜内表面形成高浓区，其高浓度区呈圆筒状，以膜管中心为对称轴，均梯度地分布于膜内表面。在高浓度区内附着于膜内壁形成一个新的“皮”层，使小分子物质透过膜的阻力大大增加，因此产生了浓度极差。危害：小分子物质透过后，高浓度区内产生的浓度极差化是影响小分子物质透过速率的最主要因素。消除方法：选择更大流量，使