题目：膜分离实验
0 前言
（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．掌握膜分离流程，比较各膜分离过程的异同。 4．掌握电导率仪、紫外分光光度计等检测方法。 （二）.基本原理
膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离介质，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）和反渗透（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和性能。微滤膜的孔径范围为0.05～10μm，所施加的压力差为0.015～0.2MPa；超滤分离的组分是大分子或直径不大于0.1μm的微粒，其压差范围约为0.1～0.5MPa；反渗透常被用于截留溶液中的盐或其他小分子物质，所施加的压差和溶液中溶质的相对分子质量及浓度有关，通常的压差在2MPa左右，也有高达10MPa的；介于反渗透和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。 1微滤和超滤
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，则其实质和常规过滤过程近似。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。
0 P （1—1） 式中， R－截流率；
0 Co－原料液的浓度，kmol/m3； Cp－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。
P 2 (1—2) c－cR??100％cVJ?S?t?Lm?h?
式中， J －透过液通量，L/(m2h) Vp－透过液的体积，L； S －膜面积，m2； V t －分离时间，h。
p其中， Q ? t ，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。 cR N ? (1—3)
cP 式中， N---溶质浓缩倍数；
CR---浓缩液的浓度，kmol/m3； CP---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。
1 实验方案
1.1 实验流程
图1-1膜分离流程示意图
1.2实验步骤
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2~3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分钟测定一定试验时间内的渗透液体积，做好记录（共12次）。 （5）调节膜后压力位0.02Mpa，稳定后，测量渗透液的体积，做好记录。
（6）依次增加膜后压力分别为0.04 Mpa、0.06 Mpa、0.08 Mpa、0.10 Mpa分别测量渗透液的体积，做好记录。
（7）利用去离子水清洗超滤组件2~3次，时间间隔30分钟。
（8）加入保护液甲醛溶液于超滤组件中，然后密闭系统，避免保护液的流失。
2 实验数据处理
2.1 原始数据
表1.渗透液中浓液和清液的流量关系表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 浓液(ml/10s) 2.98 2.82 2.62 2.63 2.80 2.63 2.50 2.20 2.00 2.20 2.20 1.99 3.38 2.78 2.57 2.56 2.75 2.60 2.50 2.10 1.98 2.21 2.20 2.00 清液(ml/10s) 34.9 24.9 35.0 34.5 34.8 35.3 34.9 34.4 34.5 34.0 34.3 33.0 36.2 32.2 33.3 34.0 33.3 33.4 32.9 33.8 34.0 32.8 33.0 32.8 表2.不同膜后压力下取出的浓液和清液体积关系
膜后压力/Mpa 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 温度/℃ 27.1 26.9 26.8 26.7 26.5 浓液(ml/10s) 11.3 12.0 9.4 9.2 9.0 8.7 8.3 8.3 6.3 6.7 清液(ml/10s) 38.9 31.0 29.0 30.0 32.9 31.0 32.0 30.0 31.0 35.0 2.2数据处理
表3.膜的渗透量随时间变化数据记录
表3.膜的渗透量随时间变化数据记录 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 时间/min 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 浓液V1/mL 1 2 2.98 3.38 2.82 2.78 2.62 2.57 2.63 2.56 2.80 2.75 2.63 2.60 2.50 2.50 2.20 2.10 2.00 1.98 2.20 2.21 2.20 2.20 1.99 2.00 清液V2/mL 浓液的平均值 1 2 34.90 36.20 3.18 24.90 32.20 2.80 35.00 33.30 2.60 34.50 34.00 2.60 34.80 33.30 2.78 35.30 33.40 2.62 34.90 32.90 2.50 34.40 33.80 2.15 34.50 34.00 1.99 34.00 32.80 2.21 34.30 33.00 2.20 33.00 32.80 2.00 清液的平均值 35.55 28.55 34.15 34.25 34.05 34.35 33.90 34.10 34.25 33.40 33.65 32.90 清液的渗透通量J2（L/m2*h） 127.98 102.78 122.94 123.30 122.58 123.66 122.04 122.76 123.30 120.24 121.14 118.44 表4.膜后压力的改变对渗透通量的影响数据记录表 序膜后压力号 /Mpa 1 2 3 4 5 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 浓液量/ml 6.30 6.70 8.30 8.30 9.00 8.70 9.40 9.20 11.30 12.00 清夜量浓液平均清液平均清液通量/ml 量/ml 量/ml L/m2·h 31.00 6.50 33.00 118.80 35.00 32.00 8.30 31.00 111.60 30.00 32.90 8.85 31.50 113.40 30.10 29.00 9.30 29.50 106.20 30.00 38.90 11.65 34.95 125.82 31.00 图1.液体体积随时间变化关系图
图1.液体体积随时间变化关系图403530浓液的平均值清液的平均值线性 (清液的平均值)线性 (浓液的平均值)体积/mL25201510500102030时间/min405060
图2.膜的渗透通量随时间的变化关系图
图2.膜的渗透通量随时间的变化关系图140120清液的渗透通量J2（L/m2*h）1008060402000102030时间/min405060
图3.膜的渗透通量随压力的变化关系图
图3.膜的渗透通量随压力的变化关系图130.00125.00清液的渗透通量120.00115.00110.00105.000.000.020.040.06膜后压力/MPa0.080.100.12
3 结果分析和讨论
由图1、图2可知：随着时间的增加，在相同的时间间隔内，浓液和清液的取出量逐渐偏低。这主要是超滤过程中，随着大分子物质的增加，浓度极差增加，导致形成第二层内膜，从而影响了膜的通量，导致了膜的通量越来越低。
由图3可知：随着膜后操作压力的增加，刚开始在压力升到0.06Mpa之前，浓液的流出量增加速度较快，膜的通量也较大。但是随着压力的增加，导致了浓度极差的增大，使得膜的通量降低，在压力继续增加的情况下，管中的料液形成湍流，使得浓度极差降低，因此在更高的压力下，膜的通量又再次加大。
误差分析：由于实验中人为操作的误差，包括间隔时间的计算不是很精确，取液时造成一定量的溶液丢失等，从而导致了如上表格中第二组数据的一些偏差。
4 对本实验的建议
通过本实验，可以进一步加大操作压力，改变操作流量等方式，从而考察压力，流量等对浓度极差产生的影响。
5、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，回答什么是浓度极差？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，由于小分一子物质的透过，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”，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，扩大分子对流，以破坏浓度极差的形成。 3.为什么随着分离时间的进行，膜的通量越来越低？
答：随着小分子物质的透过，在膜内表面上形成一个高浓度区，浓度达一定程度时，形成膜内表面的二次薄膜，这层膜极大增加了小分子物质的透过阻力，也使膜的有效管径变小，使之更易堵塞，因此膜的通量也越来越低。
4.试验中如果操作压力过高或流量过大会有什么结果？
答：压力虽然是超滤的推动力，但压力也增加了浓度极差化的程度，所以超滤时，不能无限制增加压力。流量越小，流体在膜管内的流动状态就越接近于层流，边界层就越厚。这显然增加了浓度极差化。
膜分离实验吧
