超濾膜分離.ppt

1、9.膜分離,一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解膜的結(jié)構(gòu)和影響膜分離效果的因素，包括膜材質(zhì)、壓力和流量等。 2了解膜分離的主要工藝參數(shù)，掌握膜組件性能的表征方法。 3掌握膜分離流程，比較各膜分離過程的異同。 4掌握電導(dǎo)率儀、紫外分光光度計(jì)等檢測方法。,二. 重點(diǎn)難點(diǎn) 1了解膜的結(jié)構(gòu)和影響膜分離效果的因素，包括膜材質(zhì)、壓力和流量等。 2掌握膜分離流程，比較各膜分離過程的異同。 3掌握電導(dǎo)率儀、紫外分光光度計(jì)等檢測方法。 所需學(xué)時:4個,三.基本原理 膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩側(cè)施加（或存在）一種或多種推動力，使原料中的某組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達(dá)到混合物的分離，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的

2、提取、濃縮、純化等目的的一種新型分離過程。其推動力可以為壓力差（也稱跨膜壓差）、濃度差、電位差、溫度差等。膜分離過程有多種，不同的過程所采用的膜及施加的推動力不同，通常稱進(jìn)料液流側(cè)為膜上游、透過液流側(cè)為膜下游。 微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）與反滲透（RO）都是以壓力差為推動力的膜分離過程，當(dāng)膜兩側(cè)施加一定的壓差時，可使一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過膜，而微粒、大分子、鹽等被膜截留下來，從而達(dá)到分離的目的。,四個過程的主要區(qū)別在于被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)與性能。微濾膜的孔徑范圍為0.0510m，所施加的壓力差為0.0150.2MPa；超濾分離的組分是大分子或直徑不大

3、于0.1m的微粒，其壓差范圍約為0.10.5MPa；反滲透常被用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質(zhì)，所施加的壓差與溶液中溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量及濃度有關(guān)，通常的壓差在2MPa左右，也有高達(dá)10MPa的；介于反滲透與超濾之間的為納濾過程，膜的脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低，一般用于分離溶液中相對分子質(zhì)量為幾百至幾千的物質(zhì)。,3.1微濾與超濾 微濾過程中，被膜所截留的通常是顆粒性雜質(zhì)，可將沉積在膜表明上的顆粒層視為濾餅層，則其實(shí)質(zhì)與常規(guī)過濾過程近似。本實(shí)驗(yàn)中，以含顆粒的混濁液或懸浮液，經(jīng)壓差推動通過微濾膜組件，改變不同的料液流量，觀察透過液測清液情況。 對于超濾，篩分理論被廣泛用來分析其分離機(jī)理。該理論

4、認(rèn)為，膜表面具有無數(shù)個微孔，這些實(shí)際存在的不同孔徑的孔眼像篩子一樣，截留住分子直徑大于孔徑的溶質(zhì)和顆粒，從而達(dá)到分離的目的。應(yīng)當(dāng)指出的是，在有些情況下，孔徑大小是物料分離的決定因數(shù)；但對另一些情況，膜材料表面的化學(xué)特性卻起到了決定性的截留作用。如有些膜的孔徑既比溶劑分子大，又比溶質(zhì)分子大，本不應(yīng)具有截留功能，但令人意外的是，它卻仍具有明顯的分離效果。由此可見，膜的孔徑大小和膜表面的化學(xué)性質(zhì)將分別起著不同的截留作用。,3.2反滲透與納濾 反滲透是一種依靠外界壓力使溶劑從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)滲透的膜分離過程，其基本機(jī)理為Sourirajan在Gibbs吸附方程基礎(chǔ)上提出的優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動機(jī)理，而后

5、又按此機(jī)理發(fā)展為定量的表面力孔流動模型（詳見教材）。 納濾過程界于超濾和反滲透兩者之間，其截留的粒子相對分子量通常在幾百到幾千之間。,3.3膜性能的表征 一般而言，膜組件的性能可用截留率（R）、透過液通量（J）和溶質(zhì)濃縮倍數(shù)（N）來表示。 （11） 式中， R截流率； 原料液的濃度，kmol/m3； 透過液的濃度，kmol/m3。,對于不同溶質(zhì)成分，在膜的正常工作壓力和工作溫度下，截留率不盡相同，因此這也是工業(yè)上選擇膜組件的基本參數(shù)之一。 (12) 式中， J 透過液通量，L/(m2h) 透過液的體積，L； S 膜面積，m2； t 分離時間，h。,其中， ，即透過液的體積流量，在把透過液作為產(chǎn)

6、品側(cè)的某些膜分離過程中（如污水凈化、海水淡化等），該值用來表征膜組件的工作能力。一般膜組件出廠，均有純水通量這個參數(shù)，即用日常自來水（顯然鈣離子、鎂離子等成為溶質(zhì)成分）通過膜組件而得出的透過液通量。 (13) 式中， N-溶質(zhì)濃縮倍數(shù)； -濃縮液的濃度，kmol/m3； -透過液的濃度，kmol/m3。,該值比較了濃縮液和透過液的分離程度，在某些以獲取濃縮液為產(chǎn)品的膜分離過程中（如大分子提純、生物酶濃縮等），是重要的表征參數(shù)。 截留率（R）、透過液通量（J）和溶質(zhì)濃縮倍數(shù)（N）與總流量(Q)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)者需在不同的流量下，測定原料中初始溶質(zhì)濃度、透過液中溶質(zhì)濃度、濃縮液中溶質(zhì)濃度、透過液體積和實(shí)

7、驗(yàn)時間（即透過液體積流量Q），膜面積由實(shí)際設(shè)備確定。最后在坐標(biāo)圖上繪制截留率流量(RQ)、透過液通量流量（JQ）和溶質(zhì)濃縮倍數(shù)流量（NQ）的關(guān)系曲線。,四. 實(shí)驗(yàn)裝置與流程 本實(shí)驗(yàn)裝置均為科研用膜，屬超低壓條件下使用，透過液通量和最大工作壓力均低于工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際使用情況，實(shí)驗(yàn)中不可將膜組件在超壓狀態(tài)下工作。主要工藝參數(shù)如表。,對于微濾過程，可選用1濃度左右的碳酸鈣溶液，或100目左右的雙飛粉配成2左右的懸浮液，作為實(shí)驗(yàn)采用的料液。透過液用燒杯接取，觀察它隨料液濃度或流量變化，透過液側(cè)清澈程度變化。 本裝置中的超濾孔徑可分離分子量5萬級別的大分子，醫(yī)藥科研上常用于截留大分子蛋白質(zhì)或生物酶。作為演示

8、實(shí)驗(yàn)，可選用分子量為6.7萬6.8萬的牛血清白蛋白配成0.02的水溶液作為料液，濃度分析采用紫外分光光度計(jì)，即分別取各樣品在紫外分光光度計(jì)下280nm處吸光度值，然后比較相對數(shù)值即可（也可事先作出濃度吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線供查值）。該物料泡沫較多，分析時取底下液體即可。,納濾和反滲透均可分離分子量為100級別的離子，故取0.5濃度的硫酸鈉水溶液為料液，濃度分析采用電導(dǎo)率儀，即分別取各樣品測取電導(dǎo)率值，然后比較相對數(shù)值即可（也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)前做得的濃度電導(dǎo)率值標(biāo)準(zhǔn)曲線獲取濃度值）。 對于基本型膜分離實(shí)驗(yàn)裝置，將四個膜分離過程并聯(lián)于同一套管路裝置，均通過預(yù)過濾器，然后經(jīng)公共料液線、輕液線和濃液線，進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)

9、。實(shí)驗(yàn)中，分別針對不同膜組件，選用各自適用的料液，逐個進(jìn)行單回路實(shí)驗(yàn)，且換作另一路實(shí)驗(yàn)時，均應(yīng)重新清洗管路，實(shí)驗(yàn)完畢，必須對膜組件進(jìn)行反清洗，使之去除濃差極化效應(yīng)而使膜回復(fù)正常分離性能，之后還需通保護(hù)液添加于各膜組件中，以起保護(hù)作用。,五實(shí)驗(yàn)步驟 微濾 在原料液儲槽中加滿料液后，打開低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，打開微濾料液進(jìn)口閥和微濾清液出口閥，則整個微濾單元回路已暢通。 在控制柜中打開低壓料液泵開關(guān)，可觀察到微濾、超濾進(jìn)口壓力表顯示讀數(shù)，通過低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，控制料液通入流量從而保證膜組件在正常壓力下工作。改變濃液液轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量，可觀察到清液濃度變化。 超濾 在原

10、料液儲槽中加滿料液后，打開低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，打開超濾料液進(jìn)口閥、超濾清液出口閥和濃液出口閥，則整個超濾單元回路已暢通。,在控制柜中打開低壓料液泵開關(guān)，可觀察到微濾、超濾進(jìn)口壓力表顯示讀數(shù)，通過低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，控制料液通入流量從而保證膜組件在正常壓力下工作。通過濃液轉(zhuǎn)子流量計(jì)，改變濃液流量，可觀察到對應(yīng)壓力表讀數(shù)改變，并在流量穩(wěn)定時取樣分析。 納濾 在原料液儲槽中加滿料液后，打開低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，打開截止閥1和預(yù)濾液回流閥，則預(yù)濾液存于上水槽的回路已暢通。打開高壓料液泵回流閥和濃清回流液入口閥（即高壓料液泵出口閥），并打開納濾料液進(jìn)口閥、納

11、濾清液出口閥和濃液出口閥，則整個納濾單元回路已暢通。 在控制柜中打開低壓料液泵開關(guān)和高壓料液泵開關(guān)，則納濾連續(xù)分離可進(jìn)行，通過高壓料液泵回流閥和高壓料液泵出口閥，控制料液通入流量從而保證膜組件在正常壓力下工作。通過濃液轉(zhuǎn)子流量計(jì)，改變濃液流量，可觀察到對應(yīng)壓力表讀數(shù)改變，并在流量穩(wěn)定時取樣分析。,反滲透 在原料液儲槽中加滿料液后，打開低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，打開截止閥1和預(yù)濾液回流閥，則預(yù)濾液存于上水槽的回路已暢通。打開高壓料液泵回流閥和濃清回流液入口閥（即高壓料液泵出口閥），并打開反滲透料液進(jìn)口閥、反滲透清液出口閥和濃液出口閥，則整個反滲透單元回路已暢通。 控制柜中打開低壓料液泵

12、開關(guān)和高壓料液泵開關(guān)，則反滲透連續(xù)分離可進(jìn)行，通過高壓料液泵回流閥和高壓料液泵出口閥，控制料液通入流量從而保證膜組件在正常壓力下工作。通過濃液轉(zhuǎn)子流量計(jì)，改變濃液流量，可觀察到對應(yīng)壓力表讀數(shù)改變，并在流量穩(wěn)定時取樣分析。,注意事項(xiàng) 1. 每個單元分離過程前，均應(yīng)用清水徹底清洗該段回路，方可進(jìn)行料液實(shí)驗(yàn)。清水清洗管路可仍舊按實(shí)驗(yàn)單元回路，對于微濾組件則可拆開膜外殼，直接清洗濾芯，對于另三個膜組件則不可打開，否則膜組件和管路重新連接后可能造成漏水情況發(fā)生。 2.整個單元操作結(jié)束后，先用清水洗完管路，之后在保護(hù)液儲槽中配置0.5-1濃度的甲醛溶液，經(jīng)保護(hù)液泵逐個將保護(hù)液打入各膜組件中，使膜組件浸泡在

13、保護(hù)液中。 以反滲透加保護(hù)液為例，說明該步操作如下：打開保護(hù)液泵出口閥和保護(hù)液泵回流閥，控制保護(hù)液進(jìn)入膜組件壓力也在膜正常工作下；打開反滲透料液進(jìn)口閥，則料液測浸泡在保護(hù)液中；打開截止閥2和清液回流閥、反滲透清液出口閥，并打開清液排空閥，若清液測也浸泡在保護(hù)液中 ，,可觀察到保護(hù)液通過清液排空軟管溢流回保護(hù)液儲槽中；打開截止閥2和濃液回流閥、反滲透濃液出口閥，并打開濃液液排空閥，若濃液液測也浸泡在保護(hù)液中，則可觀察到保護(hù)液通過濃液排空軟管溢流回保護(hù)液儲槽中。 3. 對于長期使用的膜組件，其吸附雜質(zhì)較多，或者濃差極化明顯，則膜分離性能顯著下降。對于預(yù)濾和微濾組件 ，采取更換新內(nèi)芯的手段；對于超濾

14、、納濾和反滲透組件，一般先采取反清洗手段，即將低濃度的料液溶液從透過液側(cè)進(jìn)入膜組件，同時關(guān)閉濃縮液側(cè)出口閥，使料液反向通過膜內(nèi)芯而從物料進(jìn)口側(cè)出液，在這個過程中，料液可溶解部分溶質(zhì)而減少膜的吸附。若反清洗后膜組件仍無法回復(fù)分離性能（如基本的截留率顯著下降），則表面膜組件使用壽命已到盡頭，需更換新內(nèi)芯。,膜組件工作性能與系統(tǒng)要求 本裝置中的所有膜組件均為科研用膜（工業(yè)上膜組件的使用壽命因分離物系不同而受影響），為使其能較長時間的保持正常分離性能，請注意其正常工作壓力、工作溫度，并選取合適濃度的物料，并作好保養(yǎng)工作。 （1）系統(tǒng)要求 最高工作溫度：50 正常工作溫度：545 正常工作壓力：微濾、超

15、濾進(jìn)口壓力 0.1MPa 納濾、反滲透進(jìn)口壓力 0.6MPa 最大工作壓力：微濾、超濾進(jìn)口壓力 0.15MPa 納濾、反滲透進(jìn)口壓力 0.7MPa,（2）膜組件性能 預(yù)濾組件：濾芯材料為聚丙稀混纖，孔徑5m 微濾組件：濾芯材料為聚丙稀混纖，孔徑0.22m 超濾組件：膜材料：聚砜、聚丙稀 膜組件形式：中空纖維式 有效膜面積：40300mm 0.1m2 純水通量（0.1MPa，25）： 10-15L/h 公稱分子量截留值：50000 截留率：對于溶質(zhì)分子量大于50000的溶液 80%,納濾組件： 膜材料：芳香聚纖胺 膜組件形式：卷式 有效膜面積：0.4 m2 純水通量（0.6MPa，25）：6-8 L/h 脫鹽率：Na2SO4, 50% 原料液溶質(zhì)濃度: 80% 原料液溶質(zhì)濃度: 2%,（3）維修與保養(yǎng) 1.實(shí)驗(yàn)前請仔細(xì)閱讀“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書”和系統(tǒng)流程，特別要注意各種膜組件的正常工作壓力與溫度。 2.新裝置首次使用前，先用清水進(jìn)料1020分鐘，洗去膜組件內(nèi)的保護(hù)劑（為一些表面活性劑或高分子物質(zhì)，對膜組件孔徑定型用）。 3.實(shí)驗(yàn)原料液必須經(jīng)過10m微孔膜預(yù)過濾（即本實(shí)驗(yàn)裝置