实验三--纳滤反渗透膜分离实验

实验三纳滤反渗透膜分离实验1.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。4．掌握电导率仪等检测方法。2.基本原理2.1膜分离简介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）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0.05～10μm，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。2.2纳滤和反渗透机理对于纳滤，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素；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。纳滤分离作为一项新型的膜分离技术，技术原理近似机械筛分。但是纳滤膜本体带有电荷性。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。反渗透是一种依靠外界压力使溶剂从高浓度侧向低浓度侧渗透的膜分离过程，其基本机理为Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上提出的优先吸附—毛细孔流动机理，而后又按此机理发展为定量的表面力—孔流动模型（详见教材）。2.3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0P0c－c％c（1—1）式中，R－截流率；C0－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。2PVStJLmh(1—2)式中，J－透过液通量，L/(m2·h)Vp－透过液的体积，L；S－膜面积，m2；t－分离时间，h。其中，Q=Vp/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。PRccN(1—3)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。3.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，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所示。表1-1膜分离装置主要工艺参数膜组件膜材料膜面积/m2最大工作压力/Mpa纳滤（NF）芳香聚纤胺0.40.7反渗透芳香聚纤胺0.40.7反渗透可分离分子量为100级别的离子，实验取0.5wt%硫酸钠水溶液为料液，浓度分析采用电导率仪，即分别取各样品测取电导率值，然后比较相对数值即可（可根据实验前做得的浓度—电导率值标准曲线获取浓度值）。P料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料料图1-1膜分离流程示意图4.实验步骤和注意事项4.1实验步骤（1）用清水清洗管路，通电检测高低压泵，温度、压力仪表是否正常工作。（2）在配料槽中配置实验所需料液，打开低压泵，料液经预过滤器进入预过滤液槽。（3）在低压预过滤5~10min后，开启高压泵，分别将清液、浓液转子流量计打到一定的开度，实验过程中可分别取样。（4）若采用大流量物料（与实验量有关），可在底部料槽中配好相应浓度料液。（5）实验结束，可在配料槽中配置消毒液（常用1%甲醛，根据物料特性）打入各膜芯中。（6）对于不同膜分离过程实验，可采用安装不同膜组件实现。4.2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，对于另一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，之后在储槽中配置0.5~1%浓度的甲醛溶液，用水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。该步操作如下：打开高压泵，控制保护液进入膜组件压力也在膜正常工作下；调节清液流量计开度，可观察到保护液通过清液排空软管溢流回保护液槽中；调节浓液计开度，可观察到保护液通过浓液排空软管溢流回储槽中，说明反渗透膜浸泡在保护液中。（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。对于预过滤和微滤组件，采取更换内芯的手段；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逆向进入膜组件，同时关闭浓液出口阀，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恢复分离性能（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，需要更换新内芯。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。