膜分离实验指导书

1、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,不同的过程所采用的膜及施加的推动

2、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度有关,通常的压差在2MPa

3、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,在有些情况下,孔径大小是物料分离的决

4、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。100R =0Pc -c %c (11式中, R -截流率;0c -原料液的浓度,kmol/m 3;P c -透过液的浓度,kmol/m 3。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。(2

5、PV S tJ L m h = (12式中, J -透过液通量,L/(m 2hPV -透过液的体积,L ;S -膜面积,m 2; t -分离时间,h 。 其中,tV Q p =,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。PRc c N = (13 式中, N 溶质浓缩倍数;R c -浓缩液的浓度,kmol/m 3; Pc -透过液的浓度,kmol/m 3。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

6、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低于工业现场实际使用情况, 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。 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

7、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、。(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

9、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

10、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数据处理:2 图1膜后压力为0.04MPa 时,透过液通量J 与时间t 关系图2 闽南师范大学 V1/ml t/min 123 123 123 122 122 122 121 120 120 120 120 120 120 120 120 V2/ml t/s V3/ml 10 20 30 40 50 27 27 26 26 26 26 26 26 25 26 25 25 25 25 25 10 10 10 10 10 10 10 10 1

11、0 10 10 10 10 10 10 150 150 149 148 148 148 147 146 145 146 145 145 145 145 145 量 液通量 2 J/(L/m *h J/(L/m2*h 9 9 8.98 8.94 8.88 8.88 8.88 8.88 8.82 8.76 8.76 8.7 8.76 8.7 8.72 8.7 8.7 8.7 8.7 8.7 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 清液体积 时间 V1/ml V2/ml t/s t/min 1

12、17 10 115 117 115 20 30 115 115 114 30 29 30 30 30 30 29 10 10 10 10 10 10 10 6 平均透 透过液 过液通 总体积 通量 量 V3/ml J/(L/m2* J/(L/m2* h h 147 8.82 144 147 145 145 145 143 8.64 8.82 8.7 8.7 8.7 8.58 8.62 8.7 8.76 闽南师范大学 115 115 114 40 115 115 115 50 114 115 29 29 28 28 28 27 27 27 10 10 10 10 10 10 10 10 144

13、144 142 143 143 142 141 142 8.64 8.64 8.52 8.58 8.58 8.52 8.46 8.52 8.5 8.56 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 清液体积 时间 V1/ml V2/ml t/s t/min 110 111 110 110 109 110 110 110 110 110 109 109 109 110 110 35 35 34 34 34 34 33 33 33 33 33 33 32 32 32 10 10 10 10 10

14、 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 20 30 40 50 透过液通 平均透过 总体积 量 液通量 2 V3/ml J/(L/m *h J/(L/m2*h 145 8.7 146 8.76 8.7 144 8.64 144 8.64 143 8.58 8.62 144 8.64 143 8.58 143 8.58 8.58 143 8.58 143 8.58 142 8.52 8.54 142 8.52 141 8.46 142 8.52 8.5 142 8.52 7 闽南师范大学 图 4 膜后压力为 0.08MPa 时，透过液通量 J 与时间 t 关系图 2

15、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=0.1/m2 J1=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*h 3 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

16、，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 8 闽南师范大学 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，使流体流动状态处于或者接近于湍流，扩大分子