实验8-2012011910-朱奇

实验8朱奇2012011910超滤膜分离实验朱奇化222012011910实验日期2015/1/7一、实验目的1.建立膜分离过程的基本概念，掌握其特征和应用领域。2.学习超滤的基本原理、主要设备构成和操作方法，建立膜分离操作的基本概念。二、实验原理1.超滤膜分离简介膜分离技术是近年来新兴的化工分离方法之一，具有可以实现常温、常压和相对缓和条件下的分离，且节省能耗、生产成本低、无环境污染等优点，在废水处理等方面获得了广泛的应用。超滤是一种以压差为推动力的典型膜分离过程。超滤膜的孔径范围为0.1μm～10nm，皮层致密（孔径小，表面孔隙率低），具有不对称结构，厚度一般小于1μm，因此流体阻力很大。超滤的典型应用是从溶液中分离大分子物质和胶体，如蛋白质分离、细菌和病原体的去除以及生化试剂的浓缩等，一般认为超滤分离的机理是筛分作用。在压力差的作用下，原料液中的溶剂和微小的溶质分子从高压侧透过膜层流到低压侧，成为滤出液和透过液流出，较大粒子的组分被膜层截留，浓度增大，形成浓溶液排出滤室，从而实现原料液中大分子物质和胶体微粒与溶剂的分离。依据上述原理，超滤膜的表面具有选择性，膜层特性对分离效果有直接影响。2.主要操作参数超滤多采用错流操作，原理示意图如图1所示：图1错流过滤原理示意图超滤膜分离的主要操作参数有渗透通量、截流率等。（1）渗透通量超滤膜的渗透通量表示为wJKP（1）原料超滤膜浓缩液透过液实验8朱奇2012011910式中K为渗透系数，大小与分离膜的结构因素如孔隙率、孔径分布等有关。渗透通量可由透过液流速和膜面积确定，操作压差由入口压差和出口压差的平均值近似。（2）截流率超滤膜的分离效率由溶质和胶体微粒的截留率表示表观截留率1pobsbCRC（2）实际截留率1pmCRC（3）式中pC，mC，bC分别表示透过液、膜表面处的液体和料液中溶质的浓度。截留率取决于膜孔尺寸与结构，料液的性质和操作条件等因素。3.浓差极化在溶剂和小分子透过膜的同时，大分子溶质被截留，并在膜表面处积聚，形成被截留的大分子溶质的浓度边界层，此现象称为膜分离过程的浓差极化现象。对于超滤膜分离，浓差极化是导致膜污染发生的重要因素，会降低溶剂渗透通量、影响截留率，也会使膜的分离性能发生变化。考虑常见的由一种溶剂和一种溶质组成的溶液，当推动力作用于原料溶液时，溶质被膜部分截留，溶剂渗透通过膜，导致溶质在渗透物中浓度低于在主体中的浓度。被截留的溶质分子在膜表面积累，浓度逐渐提高，导致溶质向原料主体的反向扩散流动，经过一定时间达到稳态，在膜表面形成浓度梯度，如图2所示：图2浓差极化现象导致浓度分布通过物料衡算可以导出浓差极化方程：exp()mPVbPCCJCCk（4）式中k为传质系数，等于扩散系数D和边界层厚度之比。浓差极化引起如下结果：（1）截留率下降实验8朱奇2012011910由于膜表面处溶质浓度增高，实测截留率低于真实和本征截留率，特别是溶质为低分子质量物质时。（2）截留率升高对于大分子物质，被完全截留的高分子质量溶质会形成一种次级膜，使得小分子质量溶质截留率提高。此外，溶剂渗透通量会因浓差极化而降低。4.膜的清洗再生除对膜分离过程进行强化外，定期对膜进行清洗，也是控制膜污染和浓差极化现象带来的问题的重要方法，一般可分为：（1）水力学清洗（2）机械清洗（3）化学清洗，清洗剂选择根据污染组分确定，如蛋白质沉淀可用碱性去垢剂清洗，电涂料可用含离子的增溶剂，无机盐沉淀可选用EDTA之类的鳌合剂等（4）电清洗此外，管状膜设备可用泡沫球机械清洗法，中空纤维可用反冲洗，食品和制药工业的膜设备还要定期用过氧化无和氯气进行消毒。三、实验仪器和药品1.实验装置本实验使用THXL-III型超滤实验装置，其流程如图3所示。其中超滤装置采用迪克公司生产的内压式中空纤维超滤膜组件，切割相对分子质量30000，每个膜组件有效过滤面积5m2,2000根中空纤维组成，单根纤维长度1016mm，内径0.8mm。采用内压操作，原水经过中空纤维膜内部，循环流动。用6010型分光光度计测量产水、浓水的吸光度。图3超滤实验装置示意图实验8朱奇20120119102.药品自来水，碳素墨水（分离体系）；去离子水（吸光度参比）。四、实验内容1.实验步骤本实验利用超滤膜分离从被碳素墨水（一种胶体）污染的水中回收清水。并研究超滤过程中膜分离性能的变化：a)接通电源，启动装置，关闭出水阀门，打开进水阀门，自250L/h产水流量开始调大入口水阀门（维持循环水与产水的流量比不变）至最大产水量（约700L/h），每两个测量点间隔大约70L/h。流量稳定后稳定装置60s，首先记录表盘各个流量及压强数值，而后进行产水和浓缩水的取样，通过测量水样在286nm波长处吸光度值计算超滤膜的截留率，观察渗透通量、操作压力、截留率的变化情况和三者的变化关系。b)固定产水流量在最大值，记录截留率随时间的变化情况（每5min取一次产水和浓缩水样，共进行35min）。2.注意事项a)开始实验后不要打开排水阀门；b)调节阀门时不要速度过快，以防损坏流量计；c)操作时先看清阀门上标明的方向，防止误操作甚至损伤阀门；d)每次取样前应注意先将取样口中积存的液体放掉；e)用分光光度计测吸光度时注意使用对应的比色皿，且应注意保护仪器。五、实验数据分析1.渗透通量随压差变化情况与渗透系数K本实验所用的单个超滤膜分离器总膜面积为5m2，两台分离器并联，故总膜面积为10m2，据此可计算单位膜面积的产水流量，即渗透通量JW。由于本实验中产水和浓水中碳素墨水浓度和吸光度成正比，故截留率可由下式计算：21AR1A式中A1、A2分别为浓水和产水的吸光度。产水通量L/h入口水压Mpa出口水压Mpa渗透水压Mpa浓缩水吸光度A1产水吸光度A2操作压差Mpa截留率1-A2/A1渗透通量×10^5m/s1001.41.330.170.4180.0171.1950.9590.2781502.031.950.160.2030.0461.8300.7730.4172003.213.090.710.1860.0472.4400.7470.5562303.022.900.120.1880.0462.8400.7550.6392453.173.050.210.2210.0432.9000.8050.6812503.143.020.130.1170.0412.9500.6500.694测量值计算值表1原始数据记录表1实验8朱奇2012011910作渗透通量~操作压差图如图4所示：对数据进行拟合，考虑到渗透通量与操作压差满足WJKP的关系，图4中拟合曲线的斜率即为渗透系数。因此：渗透系数为-5320.230810m/(sMPa)=0.1994m/(m)Kdbar。对比致密膜320.5/()Kmmdbar，疏松膜325/()Kmmdbar，可知，实验用的超滤膜应为致密膜。2.截留率随操作压差的变化计算值时间min入口水压Mpa出口水压Mpa渗透水压Mpa浓缩水吸光度A1产水吸光度A2截留率1-A2/A103.022.900.120.1880.0430.771103.012.900.110.1700.0430.747203.022.910.110.1600.0410.744303.012.900.110.1360.0610.551403.022.900.110.1260.0620.508503.012.900.110.1230.0610.504603.022.900.110.1290.0460.643703.022.900.110.1110.0620.441测量值表2原始数据记录表2实验8朱奇2012011910如图可知，截留率随渗透压的增大而下降，原因是当渗透压差的增大使得在低渗透压差下不能通过膜的大分子可以通过膜进入透过液，使得透过液浓度pC增大，从而降低了截留率。此外，需要注意的是，本实验中以膜组件出口处的浓缩水浓度代替原料液主体的平均浓度，此种近似只有在以下条件下成立：a)透过液浓度pC相对于原料液浓度较小b)产水量相对于原料液流量较小此时膜组件入口和出口处的浓度变化不大，可用浓缩水浓度近似原料液主体的平均浓度。3.截留率随时间的变化根据表2数据，可作出最大产水量的条件下截留率随时间变化的情况如下:如图可知，排除第7个数据点的偶然误差，可得出结论：随时间增长，截留率呈明显的减小趋势。原因主要是超滤膜的浓差极化现象，如实验原理部分所示，当时间增长时，溶质在膜表面积累，形成由膜表面到原料液主体逐渐减小的浓度分布，由于渗透压一定后对于一定溶液体系的本征截留率基本不变，故透过液中溶质的浓度将升高，导致实测截留率的下降。实验8朱奇2012011910此即浓差极化现象导致截留率减小的情况。4.溶液在膜中流动的摩擦系数雷诺数公式为dVdu4Re，其中V为体积流率，整个过程中循环水量为0。已知本系统采用两个膜组件并联，每个组件含有2000根中空纤维，单根纤维长度1016mm，内径0.8mm。室温下水的密度3998.2/kgm，粘度51.00510Pas。所以：a)产水量为500L/h时，35450010998.2Re54.892000100.5103.141590.0008220003600所以此时流动形式为层流，摩擦系数为：641.166Re。b)产水量为1100L/h时，354110010998.2Re120.752000100.5103.141590.000820003600所以此时流动形式为层流，摩擦系数为：640.530Re。从上述计算可以看出，随着产水量增加，流动雷诺数减小，摩擦系数增加。六、实验结果分析1、实验所用超滤膜分离系统易受流量影响，工作状态变化大，导致在测量时取样分析对产水量产生影响而使得测量结果误差较大。2、实验所用超滤膜为致密膜，其渗透系数为320.1994m/(m)Kdbar。3、截留率随操作压差的增大呈下降趋势，这是因为随着压差的增大，通量也在增大，所以膜对于细微颗粒的吸附和阻挡能力有所下降，即截留率减小。4、截留率随时间的增大呈减小趋势，这是由于浓差极化现象所致。七、实验思考题1.截留率随渗透通量如何变化？为什么？答：同一套超滤膜系统的渗透系数在操作条件变化不大时应基本不变，故渗透通量增大必引起操作压差的增大。由前述实验结果和分析可知，操作压差增大，截流率将减小。故渗透通量增大，截流率也将减小。反之亦然。2.截留率随时间如何变化？为什么？答：由前述实验结果和分析可知，实验时间增长，截流率将减小。由于膜表面处溶质浓度增高，实测截留率低于真实和本征截留率，特别是溶质为低分子质量物质时。3.膜的污染是怎样形成的？如何减少膜的污染和延长膜的使用寿命？实验8朱奇2012011910答：膜的污染主要有两种情况：一种是附着层，它是由料液(原水)中悬浮物堆积于膜面(滤饼)、由溶解性有机物浓缩后粘附于膜面(凝胶层)、由溶解性无机物生成的水垢积附于膜面(水垢层)以及由胶体物质或微生物等吸附于膜面(吸附层)所构成；另一种是堵塞，即由上述料液中溶质等浓缩、结晶或沉淀致使膜孔产生不同程度的堵塞。由于膜污染是亚微细粒子或小分子溶质吸附、积累在膜表面或在膜孔中结晶沉积所致，膜污染引起的渗透通量衰减往往是不可逆的。可减少膜污染的方法有：（1）对料液(原水)采取有效的预处理，如进行预凝絮、预过滤，或改变溶液ｐＨ值等方法，以脱除一些能与膜相互作用的溶质；（2）改善膜面附近料液(原水)侧的流体力学条件，如提高超滤器的进水流速以增大膜面水流速度，或采用湍流促进器和设计合理的流道结构等方法，使被截留的溶质及时地被水流带走；（3）超滤设备设计中，除考虑清洗的要求外，还应注意减少设备结构中的死角和死空间间隙，以防止滞留物在此变质；（4）研究表明，在超滤前将膜表面进行适当的预处理对减少膜面吸附有极大的帮助。例如以一种对膜的分离特性不会产生很大影响的小分子