膜分离实验报告

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。

2.1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。

2.2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。

R?式中， R－截流率；

c0?cP?100% （1—1） c0c0－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。

J?式中， J－透过液通量，L/(m2?h)

VP (1—2) S?tVP－透过液的体积，L；

S －膜面积，m2； t －分离时间，h。 其中，Q?Vpt，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。

N?式中， N—溶质浓缩倍数；

cR (1—3) cPcR－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。

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三.实验装置和流程

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，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 超滤（UF） 膜材料 聚砜聚丙稀 膜面积/m2 0.1 最大工作压力/Mpa 0.15 表1-1膜分离装置主要工艺参数

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90ml聚乙二醇加适量水配成的水溶液作为料液进行实验。

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60度后清洗超滤组件2~3次，时间30分钟。

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（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10分钟测量一定实验时间内的渗透液体积，做好记录（共6次）。

（5） 调节膜后的压力为0.03MPa，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，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2~3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，均使用清水彻底清洗该段回路，方可进行料液实验。 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。 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。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．数据处理和讨论

膜前压力P1=0.12MPa,膜后压力P2=0.04MPa,压力差△P=0.08Mpa 膜面积0.1/m2

时间T/s 10mim 浊液体积V1/ml 115 114 113 115 110 113 113 114 115 115 115

清液体积V2/ml 30 30 29 32 31 22 31 32 31 32 32 20min 30mim 40min 时间总体积透过液通量t/s V3/ml J/(L/m2*h) 10.1 145 10.2 144 10.2 142 10.1 147 10.2 141 10.2 135 10.3 144 10.1 146 10.2 146 10.2 147 10.2 147 平均透过液通量J/(L/m2*h) 8.70 8.64 8.62 8.52 4.35 4.32 4.31 4.26 2.88 2.92 2.91 2.92 2.21 2.21 2.21 4

50min 115 115 114 113 32 30 30 30 10.1 10.3 10.1 10.2 147 145 144 143 2.21 1.74 1.73 1.72 1.73

膜前压力P1=0.14MPa,膜后压力P2=0.06MPa，压力差△P=0.08MPa 膜面积0.1/m2 时间T/s 10mim 浊液体积V1/ml 110 110 107 107 110 105 108 109 107 110 110 110 110 111 110 清液体积V2/ml 时间t/s 总体积V3/ml 151 150 147 147 150 144 148 149 147 149 149 150 150 151 149 20min 30mim 40min 平均透过量J/(L/m2*h)1050min 8641 10.2 40 10.3 40 10.3 40 10.2 40 10.1 39 10.3 40 10.2 40 10.2 40 10.2 39 10.3 膜后压力P=0.04MPa39 10.1 40 10.1 40 10.2 40 10.2 39 10.3 平均透过液透过液通量通量J/(L/m2*h) J/(L/m2*h) 9.06 9.00 8.96 8.82 4.41 4.50 4.41 4.32 2.96 2.98 2.96 2.94 2.24 2.24 2.24 2.25 1.80 1.81 1.80 1.79 膜后压力P=0.06MPa数据处理举例： 4以膜后压力为0.04MPa时，,过滤时间为50min的第一组数据为例： 平均透过量J/(L/m2*h)2010V3=V1+V2=115+30=145ml, s=0.1/m2 J1=V3/st=145/1000/(0.1*50/60)=1.74L/m2*h, 同理J2=1.73L/m2*h， 8J3=1.72L/m2*h，故J平均=（J1+J2+J3）/3=1.73L/m2*h 膜前压力P1=0.16MPa,膜后压力P2=0.08MPa，压力差△P=0.08MPa 膜面积0.1/m2 6浊液体积4V1/ml 时间T/s 01020清液体积V2/ml 20时间t/s 30总体积V3/ml 4050平均透过液60透过液通量过滤时间(min)通量J/(L/m2*h) J/(L/m2*h) 8.64 8.58 8.56 50608.46 过滤时间(min)4.32 4.26 4.29 4.29 2.88 2.86 2.89 2.92 5

10mim 020min 30mim 105 104 102 10103 102 102 102 101 104 39 39 2039 41 40 41 42 42 42 10.2 10.2 10.3 3010.1 10.2 10.1 10.2 10.2 10.2 144 143 141 40144 142 143 144 143 146