超滤及聚乙二醇分离

1、超滤膜性能测定和分离聚乙二醇溶液的研究一、实验目的膜分离技术，包括压力差驱动（反渗透、超滤、微滤、纳滤）、浓度差驱动（透析）、电位差 驱动（电渗析）等过程，属于重要的新型分离操作，具有设备体积小、能耗低、操作简单等特点。 膜分离与反应耦合过程的研究和应用，发展也很快。目前，膜技术已广泛用于化工、海水淡化、 食品加工、环境保护、医药卫生等领域，应用前景非常广阔。本实验由学生独立查阅文献和进行实验设计，通过测定膜分离透过性能、研究超滤条件的影 响规律和膜的清洗再生，可以提高学生实验设计能力和操作技巧，掌握超滤分离知识和技术，了 解压力驱动膜过程的特点，同时培养合作精神。二、基本原理超滤介于微滤和纳

2、滤之间，截留分子量在1000-500000道尔顿左右，可以理解为与膜孔径相 关的筛分过程。在膜两侧压力差（0.1-0.6MPa）的作用下，溶剂、无机盐等小分子物质可以透过 膜，而水中悬浮物、胶体、蛋白质、微生物等可被截留，达到净化、分离和浓缩等目的。超滤过 程无相变，能耗低，易于操作，适用于低浓度大分子物质和热敏性物质的分离和回收、不同分子 量物质的分级、反渗透装置的前处理等。膜组件包括平板式、管式、卷式、中空纤维式等。超滤膜基本都是不对称膜结构，由致密的 皮层和多孔的支撑层构成。在超滤过程中，被截留物质在膜高压侧的表面上积累，形成由膜表面 到溶液主体之间的浓度梯度，导致被截留物质从膜表面向溶

3、液主体扩散，称为浓差极化。超滤分 离高分子等溶液时，如果膜表面溶质浓度超过某一临界值，还将形成凝胶层，使渗透速率显著降 低。膜分离透过性能，包括纯水透过速率、截留分子量、截留率等。超滤膜透过速萄可表示为：J =）R R + R + R式中，4P为膜内外压差，r为料液粘度，Rm为膜本身阻力，Rcp为浓差极化层阻力，Rf为污 染层阻力。纯水透过速率，是指在0.1MPa、25条件下，单位时间内单位膜面积的纯水透过量。 膜截留率R0为：（C。R = 1 p x 100%0 Ck CF 式中，CP为透过液浓度，CF为原液浓度。在膜制备过程中，超滤膜表面形成的微孔大小不一， 存在一定孔径分布，需要采用不同

4、分子量的蛋白质或聚合物溶液测定截留分子量曲线。然后选取 截留率在90%（采用聚乙二醇溶液作为评价液）或95%（蛋白质作为评价液）的分子量，作为超 滤膜的截留分子量。选择膜时，膜的截留分子量应小于待分离溶质的分子量，以保证截留率，同 时还可减少膜孔的堵塞现象。随操作压力增加，透水速率提高。但当压力过高时，由于膜被压密使透水阻力增大，透水速 率增加变缓。料液流速过大时，将增大组件压力降，使组件出口部分的膜工作压力过低。膜组件 的浓缩水量和透过水量之和等于供给水量。回收比，是指透过水量与供给水量之比。通常，中空 纤维超滤组件的回收比为5090%，卷式组件为1030%。膜污染，是指被处理液体中的微粒、

5、有机物、微生物等大分子溶质在膜表面或膜孔内吸附沉 积，使膜孔变小或堵塞，导致透水量下降的现象。膜的清洗方法，包括物理法和化学法。化学清 洗剂不应与膜组件材料发生化学反应。碱液可以去除有机污染物和油脂。加酶洗涤剂，如0.5-1.5% 胃蛋白酶、胰蛋白酶等，可去除蛋白质、多糖、油脂等污染物。湿态膜直接脱水，将导致膜收缩变形、膜孔大幅度缩小和膜结构破坏。保存湿态膜时，应使 膜面附有保存液，呈润湿状态，以防止发生膜水解、微生物侵蚀、冻结、收缩变形等现象。保存 液参考配方为水:甘油:甲醛=79.5:20:0.5。超滤膜长期不使用时，应置于保存液中。三、仪器和试剂仪器：紫外可见分光光度计，分析天平，真空干

6、燥箱，蠕动泵，膜组件，耐腐玻璃转子流量 计，压力表，硅胶管，容量瓶，干燥器，吸管，烧杯，秒表等。试剂：蒸馏水；聚乙二醇（分子量6000、10000、20000，分析纯）；次硝酸铋， 4BiNO3（OH）2BiO（OH），分析纯；冰乙酸，CH3COOH，分析纯；碘化钾，分析纯；乙酸钠， CH3COONa.3H2O，分析纯。四、实验内容某实验室制备了目标截留分子量为10000的超滤膜，试设计实验测定膜的实际截留分子量 和纯水透过速率。某溶液中含聚乙二醇（分子量10000） 100mg/L，试开发一超滤工艺回收其中的聚乙二醇， 要求回收率达到90%以上。五、实验设计思路及提示首先查阅文献了解测定超滤

7、膜截留分子量的方法有哪些，根据各方法的优缺点和实验室条 件，选择一适宜测定方法，并设计实验进行测定。注意首先应清洗设备，主要是洗去膜保存液。 使用新膜超滤时，透过速率的稳定需要一定时间。查阅文献了解一般如何进行超滤实验、主要影响因素有哪些、如何考察各因素的影响等， 然后设计实验获得超滤过程规律，确定工艺条件。查阅文献了解膜污染的原因、膜的清洗和保存方法，然后根据实验体系，选取合适的清洗 方法，并选择适当参数表征清洗效果。实验结束，按照学术论文格式（前言、实验、结果与讨论、问题和建议）进行实验总结， 鼓励提出个人观点。六、思考题采用蛋白质和聚合物溶液测定某一超滤膜的截留分子量，其结果是否相同？为

8、什么？文献中测定超滤膜截留分子量的方法还有哪些？附录：膜截留分子量测定(聚乙二醇法)聚乙二醇与Dragendoff试剂可生成桔红色络合物。将已知分子量的聚乙二醇溶于水中，然后 进行超滤，利用分光光度法测定原液与透过液中聚乙二醇浓度，计算超滤装置对该分子量聚乙二 醇的截留率。1 .试剂的配制和标准曲线的制作Dragendoff试剂的配制。A液：准确称取0.800g次硝酸铋置于50ml容量瓶中，加10mL冰乙 酸，再加蒸馏水稀释至刻度。B液：准确称取20.000g碘化钾置于50mL棕色容量瓶中，加蒸馏水 稀释至刻度。Dragendoff试剂：移取A液、B液各5mL置于100mL棕色容量瓶中，再加蒸

9、馏水 稀释至刻度，有效期为半年。乙酸一乙酸钠缓冲液的配制。量取0.2M乙酸钠溶液590mL及0.2M冰乙酸溶液410mL置于 1000mL容量瓶中，配制成pH 4.8乙酸一乙酸钠缓冲液。标准溶液的配制。聚乙二醇放入真空干燥箱内，在温度60C下干燥4小时以除去水分。准确 称取聚乙二醇1.000g溶于1000mL容量瓶中，分别吸取聚乙二醇溶液0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、 3.0(mL)置于100mL容量瓶中，配制成浓度0、5、10、15、20、25、30mg/L聚乙二醇标准溶液。样品溶液的配制。选择某一分子量的聚乙二醇，配制浓度为100mg/L的聚乙二醇溶液，做为 超滤装置性能评价

10、的溶液。将不同浓度的标准溶液各5mL分别放入10mL容量瓶中。分别加入1mLDragendoff试剂及1ml 乙酸一乙酸钠缓冲液，加蒸馏水稀释至刻度。放置15分钟后，于波长510nm下，用1cm比色皿 在分光光度计上测定光密度，蒸馏水为参比液。以聚乙二醇浓度为横座标，光密度为纵座标作图， 制成标准曲线。2.截留率的测定和截留分子量的确定将配制好的样品溶液，在表压0.1MPa和常温条件下超滤20分钟后，收取透过液。原液(稀释 4倍)与透过液分别在波长510nm下，测定其光密度，从标准曲线上查得相应的浓度。每个试样同 时取两个样品进行平行试验，以其测试值的算术平均值作为测试结果。绘制聚乙二醇分子量和截 留率关系图，截留率在90%以上的聚乙二醇分子量，视为超滤膜的截留分子量。七、参考文献时钧，袁权