超滤膜通量及其膜过滤各部分阻力测定的实验设计

超滤膜通量及其膜过滤各部分阻力测定的实验设计【摘要】通过超滤膜通量及其膜过滤各部分阻力测定的实验设计，使学生了解并掌握超滤实验装置的操作方法，并加深超滤膜分离基本理论及对膜污染现象的理解。提高学生主动学习的兴趣，培养学生综合运用基础知识与技能发现问题，并解决问题的综合能力。【关键词】超滤；中空纤维膜；PVC；可逆与不可逆污染阻力超滤膜技术是解决当代能源、水资源缺乏和环境问题的重要技术，在地表水净化处理方面有广阔的发展潜力与应用前景，受到世界各国水处理工作者的青睐，被称为第三代净水技术。开展超滤膜过滤实验是目前环境工程实验教学改革的一个重要趋势，不仅可以培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，而且还能培养学生的创新能力，为今后从事相关领域的工作奠定了基础。1.实验目的与原理1.1实验目的通过对超滤膜通量及其膜过滤阻力各部分测定的实验过程，使学生了解并掌握超滤实验装置的操作方法，熟悉超滤膜分离过程的主要工艺过程，并加深超滤膜分离基本理论及对膜污染现象的理解。该实验涉及给水排水工程、环境工程、化工分离等多个专业，掌握超滤膜分离技术，可完成对学生综合实验及实践能力的训练和培养。1.2实验原理通量是指在一定流速、温度、压力下，单位时间、单位膜面积的液体（或气体）透过量，是衡量膜组件性能及运行状况的重要参数。根据上述定义，膜通量可由式（1）计算在超滤进行的过程中，由于膜孔对水溶液中溶质或悬浮物的截留和吸附作用，以及溶质的浓差极化作用或凝胶层的形成，均会导致超滤过滤性能的下降，即在恒压操作下表现为膜通量的下降而在恒流操作下表现为跨膜压差的升高。这就是所谓的膜污染现象，是膜过滤过程中不可避免的现象。根据形成膜污染的原因，膜过滤阻力可表示为：其中，Rt表示膜过滤过程的总阻力；Rm表示新膜的固有阻力；Rp表示浓差极化阻力；Rf（Ref+Rif）表示污染阻力，其中Ref表示凝胶层阻力，Rif表示内部污染阻力；Rc（Rp+Ref）表示沉淀阻力；Rrf表示可逆污染阻力，能通过水力反洗消除；Rirf表示不可逆污染阻力，不能通过水力反洗消除。以Darcy定律为基础得出下列过滤通量的表达式：可得膜过滤过程中各部分阻力：由此可计算各部分阻力及其所占比例的大小，从而对膜污染机理有所认识。2.实验装置与设备本超滤实验采用中空纤维膜组件（共计30根膜丝），膜丝内径为0.12cm，有效长度为20cm，材质为PVC，截留分子量约为10kDa。超滤实验装置为自制超滤膜过滤装置一套，含隔膜泵、压力表、流量计、膜组件支架等单元，如图1所示。另外本实验还需要万分之一电子天平、秒表、烧杯、量筒。本实验所用原水为去离子水和畔湖水（天津工业大学校内）。3.实验步骤3.1超滤膜通量的测定1.用去离子水清洗中空纤维膜组件，并将其安装至实验装置上。2.熟悉实验装置，链接管路，将阀门调至全开状态。将去离子水倒入水槽中，打开隔膜泵，膜组件在内压正压式条件下运行。3.用天平称量空烧杯质量（m0）备用。4.逐步降低阀门开度，观察压力表读数变化，并排空膜组件中的空气。5.调节阀门使压力表读数稳定在0.01MPa。6.待透过液流量稳定后，用烧杯接透过液并以秒表开始计时。约5min后停止计时并同时移开烧杯。记录秒表上的时间（t）并称量烧杯质量（m1）。7.重复上述实验若干次，并由式（1）计算中空纤维膜的清水通量值J0。实验应获得至少三组J0数据，其间的相对标准偏差5%，并计算0.01Mpa压力下，J0平均值。8.通过降低阀门开度使压力表读数分别稳定在0.03MPa和0.05MPa，重复上述实验。记录不同压力下（0.03MPa和0.05MPa），至少三组J0数据，其间的相对标准偏差5%，并分别计算两者的J0平均值。9.以跨膜压为纵坐标，以通量J0为横坐标作图，并根据式（9）计算新膜的固有阻力Rm。3.2超滤膜过滤过程中各部分阻力测定1.将水槽及管路中的清水排空，向其中注入静置沉淀后的畔湖水，重复上面的实验（3.1中步骤3至步骤8），得到不同跨膜压力下的膜通量。注意，与清水通量测试相比，湖水过滤系统的稳定时间应适当延长以使膜污染充分发展。2.根据式（2）和式（10），计算不同跨膜压力下，超滤膜过滤静置沉淀后的畔湖水后的膜总阻力，Rt。3.将水槽及管路中的清水排空，并将超滤装置重新连接。在水槽中加入去离子水，打开隔膜泵，使膜组件在外压正压式条件下运行。4.逐步降低阀门开度，观察压力表读数变化，并排空膜组件中的空气。调节阀门使压力表读数稳定在0.05MPa，进行膜水力反洗，反洗时间为5min。5.重新连接实验装置，打开隔膜泵，使膜组件依然在内压正压式条件下运行。重复上面的实验（3.1中步骤3至步骤8）6.以跨膜压为纵坐标，以通量J4为横坐标作图，并根据式（14）和式（15）分别计算超滤膜过滤静置沉淀后的畔湖水后的可逆污染阻力Rrf和不可逆污染阻力Rirf。实验过程中需要注意的是，超滤过滤湖水的过程中，由于膜污染的存在，增加跨膜压的同时，膜通量逐渐较少。跨膜压增加过快会使膜丝发生破损，所以过滤和反洗时的跨膜压需控制在0.1Mpa以下。引导学生通过观察湖水过滤过程中通量及过滤阻力随压力的变化关系，分析中空纤维膜清水通量与湖水过滤通量间的差异及产生原因。4.结束语该实验的设计、实施过程主要从实践的角度出发，通过超滤膜过滤实验的学习，培养学生理论与实践结合的能力，同时提高学生主动思考及全面解决问题的能力，为市政工程和环境工程专业学生更快适应今后专业课知识的学习。