膜分離實驗指導書

1、膜分離實驗一.實驗?zāi)康?.了解膜的結(jié)構(gòu)和影響膜分離效果的因素,包括膜材質(zhì)、壓力和流量等。2.了解膜分離的主要工藝參數(shù),掌握膜組件性能的表征方法。3. 了解和熟悉超濾膜分離的工藝過程。二.基本原理膜分離技術(shù)是最近幾十年迅速發(fā)展起來的一類新型分離技術(shù)。膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的人工合成的或天然的高分子薄膜(或無機膜為分離介質(zhì),通過在膜兩側(cè)施加(或存在一種或多種推動力,使原料中的某組分選擇性地優(yōu)先透過膜,從而達到混合物的分離,并實現(xiàn)產(chǎn)物的提取、濃縮、純化等目的的一種新型分離過程。其推動力可以為壓力差(也稱跨膜壓差、濃度差、電位差、溫度差等。膜分離過程有多種,不同的過程所采用的膜及施加的推動

2、力不同,通常稱進料液流側(cè)為膜上游、透過液流側(cè)為膜下游。微濾(MF、超濾(UF、納濾(NF與反滲透(RO都是以壓力差為推動力的膜分離過程,當膜兩側(cè)施加一定的壓差時,可使一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過膜,而微粒、大分子、鹽等被膜截留下來,從而達到分離的目的。四個過程的主要區(qū)別在于被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)與性能。微濾膜的孔徑范圍為0.0510m,所施加的壓力差為0.0150.2MPa;超濾分離的組分是大分子或直徑不大于0.1m的微粒,其壓差范圍約為0.10.5MPa;反滲透常被用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質(zhì),所施加的壓差與溶液中溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量及濃度有關(guān),通常的壓差在2MPa

3、左右,也有高達10MPa的;介于反滲透與超濾之間的為納濾過程,膜的脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低,一般用于分離溶液中相對分子質(zhì)量為幾百至幾千的物質(zhì)。2.1微濾與超濾微濾過程中,被膜所截留的通常是顆粒性雜質(zhì),可將沉積在膜表明上的顆粒層視為濾餅層,則其實質(zhì)與常規(guī)過濾過程近似。本實驗中,以含顆粒的混濁液或懸浮液,經(jīng)壓差推動通過微濾膜組件,改變不同的料液流量,觀察透過液測清液情況。對于超濾,篩分理論被廣泛用來分析其分離機理。該理論認為,膜表面具有無數(shù)個微孔,這些實際存在的不同孔徑的孔眼像篩子一樣,截留住分子直徑大于孔徑的溶質(zhì)和顆粒,從而達到分離的目的。應(yīng)當指出的是,在有些情況下,孔徑大小是物料分離的決

4、定因數(shù);但對另一些情況,膜材料表面的化學特性卻起到了決定性的截留作用。如有些膜的孔徑既比溶劑分子大,又比溶質(zhì)分子大,本不應(yīng)具有截留功能,但令人意外的是,它卻仍具有明顯的分離效果。由此可見,膜的孔徑大小和膜表面的化學性質(zhì)將分別起著不同的截留作用。2.2膜性能的表征一般而言,膜組件的性能可用截留率(R 、透過液通量(J 和溶質(zhì)濃縮倍數(shù)(N 來表示。100R =0Pc -c %c (11式中, R -截流率;0c -原料液的濃度,kmol/m 3;P c -透過液的濃度,kmol/m 3。對于不同溶質(zhì)成分,在膜的正常工作壓力和工作溫度下,截留率不盡相同,因此這也是工業(yè)上選擇膜組件的基本參數(shù)之一。(2

5、PV S tJ L m h = (12式中, J -透過液通量,L/(m 2hPV -透過液的體積,L ;S -膜面積,m 2; t -分離時間,h 。 其中,tV Q p =,即透過液的體積流量,在把透過液作為產(chǎn)品側(cè)的某些膜分離過程中(如污水凈化、海水淡化等,該值用來表征膜組件的工作能力。一般膜組件出廠,均有純水通量這個參數(shù),即用日常自來水(顯然鈣離子、鎂離子等成為溶質(zhì)成分通過膜組件而得出的透過液通量。PRc c N = (13 式中, N 溶質(zhì)濃縮倍數(shù);R c -濃縮液的濃度,kmol/m 3; Pc -透過液的濃度,kmol/m 3。該值比較了濃縮液和透過液的分離程度,在某些以獲取濃縮液

6、為產(chǎn)品的膜分離過程中(如大分子提純、生物酶濃縮等,是重要的表征參數(shù)。三.實驗裝置與流程本實驗裝置均為科研用膜,透過液通量和最大工作壓力均低于工業(yè)現(xiàn)場實際使用情況, 表1-1膜分離裝置主要工藝參數(shù)對于微濾過程,可選用1%濃度左右的碳酸鈣溶液,或100目左右的雙飛粉配成2%左右的懸浮液,作為實驗采用的料液。透過液用燒杯接取,觀察它隨料液濃度或流量變化,透過液側(cè)清澈程度變化。 圖1-1膜分離流程示意圖四.實驗步驟及方法超濾膜分離以自來水為原料,考察料液通過超濾膜后,膜的滲透通量隨時間的衰減情況,并考察操作壓力和膜表面流速對滲透通量的影響。操作步驟如下:(1放出超濾組件中的保護液。(2用去離子水清洗加

7、熱50度后清洗超濾組件23次,時間30分鐘。(3在原料液儲槽中加入一定量的自來水后,打開低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥,打開超濾料液進口閥、超濾清液出口閥和濃液出口閥,則整個超濾單元回路已暢通。(4啟動泵至穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后,通過泵出口閥門和超濾餾液出口閥門調(diào)節(jié)所需要的流量和壓力,待穩(wěn)定后每隔5分鐘測量一定實驗時間內(nèi)的滲透液體積,做好記錄(共12次。(5調(diào)節(jié)膜后的壓力為0.02MPa,穩(wěn)定后,測量滲透液的體積,做好記錄。(6依次增加膜后的壓力分別為0.04 MPa,0.06 MPa,0.08 MPa,1.0 MPa,分別測量滲透液的體積,做好記錄。(7利用用去離子水清洗超濾組件23次,時間30分鐘

8、。(8加入保護液甲醛溶液于超濾膜組件中,然后密閉系統(tǒng),避免保護液的損失。注意事項1.每個單元分離過程前,均應(yīng)用清水徹底清洗該段回路,方可進行料液實驗。清水清洗管路可仍舊按實驗單元回路,對于微濾組件則可拆開膜外殼,直接清洗濾芯,對于另三個膜組件則不可打開,否則膜組件和管路重新連接后可能造成漏水情況發(fā)生。2.整個單元操作結(jié)束后,先用清水洗完管路,之后在保護液儲槽中配置0.5-1%濃度的甲醛溶液,經(jīng)保護液泵逐個將保護液打入各膜組件中,使膜組件浸泡在保護液中。以反滲透加保護液為例,說明該步操作如下:打開保護液泵出口閥和保護液泵回流閥,控制保護液進入膜組件壓力也在膜正常工作下;打開反滲透料液進口閥,則料

9、液測浸泡在保護液中;打開截止閥2和清液回流閥、反滲透清液出口閥,并打開清液排空閥,若清液測也浸泡在保護液中,可觀察到保護液通過清液排空軟管溢流回保護液儲槽中;打開截止閥2和濃液回流閥、反滲透濃液出口閥,并打開濃液液排空閥,若濃液液測也浸泡在保護液中,則可觀察到保護液通過濃液排空軟管溢流回保護液儲槽中。3.對于長期使用的膜組件,其吸附雜質(zhì)較多,或者濃差極化明顯,則膜分離性能顯著下降。對于預(yù)濾和微濾組件,采取更換新內(nèi)芯的手段;對于超濾、納濾和反滲透組件,一般先采取反清洗手段,即將低濃度的料液溶液從透過液側(cè)進入膜組件,同時關(guān)閉濃縮液側(cè)出口閥,使料液反向通過膜內(nèi)芯而從物料進口側(cè)出液,在這個過程中,料液

10、可溶解部分溶質(zhì)而減少膜的吸附。若反清洗后膜組件仍無法回復分離性能(如基本的截留率顯著下降,則表面膜組件使用壽命已到盡頭,需更換新內(nèi)芯。五.實驗數(shù)據(jù)處理與討論1數(shù)據(jù)處理:2 圖1膜后壓力為0.04MPa 時,透過液通量J 與時間t 關(guān)系圖2 閩南師范大學 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 圖 2 膜后壓力為 0.06MPa 時，透過液通量 J 與時間 t 關(guān)系圖 膜后壓力 P1=0.08MPa, 膜面積 0.1/m2 時間 濁液體積 清液體積 時間 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 透過液 過液通 總體積 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 閩南師范大學 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 圖 3 膜后壓力為 0.08MPa 時，透過液通量 J 與時間 t 關(guān)系圖 膜后壓力 P1=0.10MPa, 膜面積 0.1/m2 時間 濁液體積 清液體積 時間 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 透過液通 平均透過 總體積 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 閩南師范大學 圖 4 膜后壓力為 0.08MPa 時，透過液通量 J 與時間 t 關(guān)系圖 2

15、數(shù)據(jù)處理舉例： 以膜后壓力為0.04MPa時，過濾時間為10min的第三組數(shù)據(jù)為例： 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 實驗結(jié)果與討論 由以上圖14的透過液通量J與時間t四個圖可以看出： 在相同時間內(nèi)， 隨著時間的不斷 增加，膜的透過液通量不斷的減小。 在超濾過程中，隨著超濾的進行，分子較大的聚乙二醇，被阻擋在膜前，待濃縮循環(huán) 液加壓于膜面，由于小分子物質(zhì)的不斷透過膜

16、，以及每根膜管內(nèi)壁邊界層的存在，膜內(nèi)表面 形成高濃區(qū)，其高濃度區(qū)呈圓筒狀，以膜管中心為對稱軸，均梯度地分布于膜內(nèi)表面。濃度 達一定程度時，在高濃度區(qū)內(nèi)附著于膜內(nèi)壁形成一個新的“皮”層，形成膜內(nèi)表面的二次薄 膜，使小分子物質(zhì)透過膜的阻力大大增加，也使膜的有效管徑變小，使之更易堵塞，因此產(chǎn) 生了濃度極差，從而膜的透透過液通量也越來越少。 五思考題 1. 膜組件中加保護液有何意義？ 答：為了防止灰塵或者微生物進入膜組件，造成堵塞或者破壞，從而起到膜的保 護作用。 2. 查閱文獻，回答什么是濃差極化？有什么危害？有哪些消除方法？ 答：在超濾過程中，待濃縮循環(huán)液加壓于膜面，由于小分子物質(zhì)的透過，以及每 根膜管內(nèi)壁邊界層的存在，膜內(nèi)表面形成高濃區(qū)，其高濃度區(qū)呈圓筒狀，以膜管中心 8 閩南師范大學 為對稱軸，均梯度地分布于膜內(nèi)表面。在高濃度區(qū)內(nèi)附著于膜內(nèi)壁形成一個新的“皮” 層，使小分子物質(zhì)透過膜的阻力大大增加，因此產(chǎn)生了濃度極差。 危害：小分子物質(zhì)透過后，高濃度區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的濃度極差化是影響小分子物質(zhì)透過 速率的最主要因素。 消除方法：選擇更大流量，使流體流動狀態(tài)處于或者接近于湍流，擴大分子