膜过滤分离实验
班级：环工101班 组名：第一组 姓名：闭霞 学号：1008010109
一、实验目的
1．熟悉膜过滤基本原理及装置构造和基本操作；
2．了解膜过滤操作的影响因素如温度、压力、流量等对脱盐效果的影响； 3．学会测定膜过滤工作参数（浊度、电导率）。
二、实验原理
（一）微滤工作原理 1. 微滤原理
微滤又称微孔过滤，它属于精密过滤，截留溶液中的砂砾、淤泥、黏土等颗粒和贾第虫、隐抱子虫、藻类和一些细菌等，而大量溶剂、小分子及少量大分子溶质都能透过膜的分离过程。基本原理是筛分过程，操作压力一般在0.04-0.16MPa，原料液在静压差作用下，透过一种过滤材料。通过纤维素或高分子材料制成的微孔滤膜，利用其均一孔径，来截留水中的微粒、细菌等，使其不能通过滤膜而被去除。
2. 微滤膜的基本性能及影响因素
膜通量是反映膜管性能的重要参数，计算公式是J =V/(ndlt)，即单位时间内通过单位膜面积的渗透液的体积量。陶瓷微滤膜孔径较小，极易发生阻塞形成膜污染，造成膜通量的下降，所以在过滤的过程中保持较高的膜通量和截留率受到许多内部和外部条件的影响，内部因素主要包括膜材质和孔径以及进料液的性质，外部因素主要包括操作条件。因此在陶瓷膜微滤的研究中，选择最佳的滤膜和运行条件对分离效果至关重要。其主要影响因素如下：
（1）预处理
对料液进行预处理，如预过滤、絮凝、炭吸附、调pH值、除盐、消毒灭菌等，料液中的较大粒径的颗粒通过预处理去除，使进入膜组件的水质成分得到很大改善，在一定程度上可以提高膜通量。有研究表明，在造纸和炼油废水的膜处理的过程中投加絮凝剂PAM或硫酸铝，能有效的提高膜通量和分离效果。
（2）膜孔径
选择合适的膜孔径对于过滤系统的分离效果至关重要。孔径大了，分离效果不好；孔径小了，极易发生膜阻塞。所以关键是掌握进料成分的颗粒大小，有能力的情况下要对待过滤液颗粒粒径进行分析，以便选择最佳的分离膜孔径。
（3） 膜电荷
当膜孔的表面带有电荷时，一系列复杂的现象例如动电反应、电粘效应等将会产生，膜有效孔径也会改变。膜电荷对过滤性能的影响主要表现在通过对基膜添加适当的强极性基
团，使膜呈现带电性。所以可以在一定情况下将膜的孔径做的较大，从而减小膜的压降，提高膜的渗透通量。
（4）过滤温度
粘度是反映了液体粘性的大小，膜的渗透量随粘度的减小而增大，而粘度随温度的升高时减小的，所以提高温度可以获得较大的膜通量。在一定条件下，过滤温度越高，分离效果越好。但是考虑到运行成本，选择一个适宜的过滤温度对整个分离过程是很重要的。
（5）进料pH值
过滤溶液的pH值的改变会改变体系性质如胶体颗粒的电荷，特别在等电点附近，使胶体颗粒趋于沉淀和不稳定。此外pH的变化还会改变膜本身的电性质，会使液体通过膜孔时产生的电粘滞效应变化而影响膜通量。
（6）跨膜压差
对于无机陶瓷微滤膜来说，过滤驱动力为膜两侧的压力差。微滤膜的分离过程压差在0.03～0.3MPa。压差较小时，膜表面及膜孔内形成少量的凝胶层和污染，增大压力产生的压差会使通量增大；在压力达到一定程度后，凝胶层迅速形成并加大，压差会很快被加厚和压实的凝胶层所抵消，所以通量不再随着压力变化。
（7）过滤时间
膜通量的变化随过滤时间经历3个阶段：通量迅速下降；通量趋于平稳；通量再次下降。物料与膜刚接触时，迅速产生了堵塞和膜污染，形成了浓差极化和边界层效应。在压力和流速保持不变的条件下，膜的吸附污染不再增加，浓差极化增加很小，通量趋于一定值。随着物料的进入，进一步加剧了浓差极化现象，凝胶层厚度增加，导致通量大幅下降，甚至引起膜的劣化和不可恢复。 （二）反渗透工作原理 1．渗透及渗透压
渗透现象在自然界很常见，比如将一根黄瓜放入盐水中，黄瓜就会因失水而变小。黄瓜中的水分子进入盐水溶液的过程就是渗透过程。如图5.1所示，如果用一个只有水分子才能透过的薄膜将一个水池隔断成两部分，在隔膜两边分别注入纯水和盐水到同一高度。过一段时间就可以发现纯水液面降低了，而盐水的液面升高了。我们把水分子透过这个隔膜迁移到盐水中的现象叫做渗透现象。盐水液面升高不是无止境的，到了一定高度就会达到一个平衡点。这时隔膜两端液面差所代表的压力被称为渗透压。渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。
2．反渗透现象和反渗透净水技术
在以上装置达到平衡后，如果在盐水端液面上施加一定压力，此时，水分子就会由盐水端向纯水端迁移。液剂分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的过程这一现象被称为反
渗透现象。 如果将盐水加入以上设施的一端，并在该端施加超过该盐水渗透压的压力，我们就可以在另一端得到纯水，这就是反渗透净水的原理。
图5.1 反渗透原理工作示意图
3．衡量反渗透膜性能的主要指标 （1）脱盐率和透盐率
脱盐率：通过反渗透膜从系统进水中去除可溶性杂质浓度的百分比。 透盐率：进水中可溶性杂质透过膜的百分比。 脱盐率＝(1－产水含盐量/进水含盐量)×100％ 透盐率＝100％－脱盐率
膜元件的脱盐率在其制造成形时就已确定，脱盐率的高低取决于膜元件表面超薄脱盐层的致密度，脱盐层越致密脱盐率越 高，同时产水量越低。反渗透对不同物质的脱除率主要由物质的结构和分子量决定，对高价离子及复杂单价离子的脱除率可以超过99％，对单价离子如：钠离子、钾离子、氯离子的脱除率稍低，但也超过了98％；对分子量大于100的有机物脱除率也可达到 98％，但对分子量小于100的有机物脱除率较低。
（2）产水量（水通量）
产水量（水通量）指反渗透系统的产能，即单位时间内透过膜水量，通常用吨/小时或加仑(1升=0.22加仑)/天来表示。
渗透流率：渗透流率也是表示反渗透膜元件产水量的重要指标。指单位膜面积上透过液的流率，通常用加仑每平方英尺(一平方英尺=0.09290304 m2)每天（GFD）表示。过高的渗透流率将导致垂直于膜表面的水流速加快，加剧膜污染。
（3）回收率
回收率－－指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分比。膜系统的回收率在设计时就已经确定，是基于预设的进水水质而定的。
回收率＝（产水流量/进水流量）×100％ 4．影响反渗透膜性能的因素 （1）进水压力对反渗透膜的影响
进水压力本身并不会影响盐透过量，但是进水压力升高使得驱动反渗透的净压力升高，
使得产水量加大，同时盐透过量几乎不变，增加的产水量稀释了透过膜的盐分，降低了透盐率，提高脱盐率。当进水压力超过一定值时，由于过高的回收率，加大了浓差极化，又会导致盐透过量增加，抵消了增加的产水量，使得脱盐率不再增加。
（2）进水温度对反渗透膜的影响
反渗透膜产水电导对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加，水通量也线性的增加，进水水温每升高1℃，产水通量就增加2.5％～3.0％；其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。
（3）进水pH值对反渗透膜的影响
进水pH值对产水量几乎没有影响；而对脱盐率有较大影响。由于水中溶解的CO2受pH值影响较大，pH值低时以气态CO2形式存在，容易透过反渗透膜，所以pH低时脱盐率也较低，随pH升高，气态CO2转化为HCO3和CO32离子，脱盐率也逐渐上升，在pH 7.5～
－
－
8.5间，脱盐率达到最高。
（4）进水盐浓度对反渗透膜的影响
渗透压是水中所含盐分或有机物浓度的函数，含盐量越高渗透压也增加，进水压力不变的情况下，净压力将减小，产水量降低。透盐率正比于膜正反两侧盐浓度差，进水含盐量越高，浓度差也越大，透盐率上升，从而导致脱盐率下降。
三、实验装置及仪器
（一）实验装置
实验装置如图5.2所示。
图5.2 膜过滤分离装置示意图
（二）实验仪器
1．微滤反渗透实验组合装置一套； 2．数显浊度仪1台； 3．pH计1台； 4．电导仪
1台 5．10L水桶2只，5L脸盆2只，去离子水若干； 6．秒表1个； 7．温度计1只； 8．牛奶粉1000g； 9．500mL烧杯10只； 10．250mL烧杯20只。
四、实验步骤
（一）微滤实验步骤
1．配置实验废水：在500mL去离子水中加入1小勺奶粉约为3g，搅拌均匀后，将其加入20L左右去离子水在水桶中在进行搅拌均匀即可（所配置的实验废水浊度控制在50～100NTU）。
2. 关闭实验装置上所有阀门（但阀5、阀7和阀8要打开）。 确认阀1是关闭状态。将搅拌料液倒入原水箱中（水位至少是原水箱的三分之二），并取原水水样测定温度、pH、电导率和浊度。
3．启动泵，打开阀1，开始微滤实验，同时要调节工作压力并记录，用秒表计时。微滤操作压力为0.3MPa（调节阀8的开启度）。
4．在相应的时间取水样并测定回流液和透过液的浊度、电导率及透过液体积数。 5．关闭泵（先关阀1，然后关闭电源），结束实验。 （二）反渗透实验步骤
1．配置实验废水：将微滤的回流液倒入原水箱，再加入部分去离子水保持水位为原水箱的三分之二。
2. 关闭实验装置上所有阀门（但阀2、阀12和阀13要打开）。 确认阀1是关闭状态，取原水水样测定温度、pH、电导率和浊度。
3．启动泵，打开阀1，开始反渗透实验，同时要调节工作压力并记录，用秒表计时。反渗透操作压力为0.8MPa（调节阀12的开启度）。
4．在相应的时间取水样并测定回流液和透过液的浊度、电导率及透过液体积数。 5．关闭泵（先关闭阀1，然后关闭电源），结束实验。
注意 ：每次实验完成后，用去离子水将微滤膜和反渗透膜冲洗干净。
五、实验数据记录及分析
1、微滤实验所测得的数据填入表5.1，反渗透实验所测得的数据填入表5.2。
表5.1 膜过滤（微滤）实验数据记录表
原水温度： 23.2 ℃ 浊度： 72.5 NTU pH： 6.59 电导率： 2.62 μs/cm 工作压力： 0.3 MPa 回流液 透过液 时间 min 温度 浊度 电导率 温度 浊度 电导率 体积（ml） 0 5 10 20 23.2 24.0 24.5 26.4 27.9 72.5 43.9 43.7 41.3 37.8 2.62 2.43 2.47 2.57 2.84
23.6 24.4 26.1 27.0 0.621 1.060 0.840 1.330 3.240 1.825 1.831 1.780 500 487 950 258 30 表5.2 膜过滤（反渗透）实验数据记录表
原水温度：24.8 ℃ 浊度： 14.0 NTU pH： 7.19 电导率： 1.673 μs/cm 工作压力： 0.8 MPa 时间 min 温度 回流液 浊度 电导率 温度 透过液 浊度 电导率 体积（ml） 0 5 10 20 24.8 26.5 27.9 30.4 32.9 14.0 13.0 12.2 10.8 9.83 1.673 1.803 1.880 2.060 2.230 24.5 26.1 28.8 31.2 0.650 1.560 0.155 0.330 0.819 0.444 0.495 0.1 415 420 910 1050 30
2、分别绘制累计透过液体积、浊度和电导率与实验时间的关系曲线图，并加以分析。
（1）膜过滤-微滤
图1-1
从图1-1中可以看出，随着反应时间加长，透过液的体积逐渐增大。由于透过液是温度随时间的增大而升高，水的粘度下降，膜通量越大，所以透过液的体积越来越大。反应时间为20分钟时透过液体积最大，随着反应时间增长透过液反而下降，这是由于物料与膜刚接触时，迅速产生了堵塞和膜污染，形成了浓差极化和边界层效应。在压力和流速保持不变的条件下，膜的吸附污染不再增加，浓差极化增加很小，通量趋于一定值。随着物料的进入，进一步加剧了浓差极化现象，凝胶层厚度增加，导致通量大幅下降。
图1-2
从图1-2中可以看出浊度随着反应时间的加长而升高，而理论上浊度是随着反应时间的加长而减小。出现这种现象的原因可能是，做实验过程中，由于仪器的压力控制不当造成。
图1-3
从图1-3中可以看出，电导率随着时间的加长而减小。随着反应时间加长，透过液离子浓度减小，电导率就随之减小。
（2）膜过滤-反渗透
图2-1
从图2-1中可以看出反渗透透过液的体积随着时间的加长而增大。而，水温是随着时间的加长而升高，因此随着水温的增加，水通量也线性的增加，进水水温每升高1℃，产水通量就增加2.5％～3.0％；其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。
图2-2
从图2-2中可以看出浊度随着时间的加长而增大，当反应时间为10分钟时，浊度最大，随后浊度又减小。而理论上反渗透透过液的浊度是随着时间的加长而减小的。出现这种现象的原因可能是上次实验仪器没冲洗干净，也有可能是原水的进水压力过高，浊度反渗透透过液而增大。
图2-3
从图2-3中可以看出，电导率在10分钟时达到最小值，但随着时间的增长电导率越来越大。而理论上反渗透的电导率随着时间的加长而升高，这是由于温度升高盐透过率升高，电导率就升高。而出现这种现在可能的原因是刚开始反应水温太低，盐的透过率太低，电导率也变低，随着反应时间的加长水温升高盐的透过率增大，电导率变大。 六、思考题
1、反渗透之前需要进行预处理吗？为什么？ 2、试定性分析工作压力和温度对膜过滤分离的影响。
1、答：反渗透之前需要进行预处理。因为原水中含有一定浓度的悬浮物和溶解性物质。在反渗透过程中，进水的体积在减少，悬浮颗粒和溶解性物质的浓度在增加。悬浮颗粒会沉积在膜上，堵塞进水流道、增加摩擦阻力。难溶盐在超过其饱和极限时，会从浓水中沉淀出来，在膜面上形成结垢，降低RO膜的通量，增加运行压力和压力降，并导致产品水质下降。这种在膜面上形成沉积层的现象叫做膜污染，膜污染的结果是系统性能的劣化。需要在原水进入反渗透膜系统之前进行预处理，去除可能对反渗透膜造成污染的悬浮物、溶解性有机物和过量难溶盐组分，降低膜污染倾向。对进水进行预处理的目的是改善进水水质，使RO膜获得可靠的运行保证。
2、答：（1）对于无机陶瓷微滤膜来说，过滤驱动力为膜两侧的压力差。微滤膜的分离过程压差在0.03～0.3MPa。压差较小时，膜表面及膜孔内形成少量的凝胶层和污染，增大压力产生的压差会使通量增大；在压力达到一定程度后，凝胶层迅速形成并加大，压差会很快被加厚和压实的凝胶层所抵消，所以通量不再随着压力变化。而对于反渗透，进水压力本身并不会影响盐透过量，但是进水压力升高使得驱动反渗透的净压力升高，使得产水量加大，同时盐透过量几乎不变，增加的产水量稀释了透过膜的盐分，降低了透盐率，提高脱盐率。当进水压力超过一定值时，由于过高的回收率，加大了浓差极化，又会导致盐透过量增加，抵消了增加的产水量，使得脱盐率不再增加。
（2）温度升高，水的粘度减小，膜的渗透量随粘度的减小而增大，所以提高温度可以获得较大的膜通量。在一定条件下，过滤温度越高，分离效果越好；反渗透膜产水电导对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加，水通量也线性的增加，进水水温每升高1℃，产水通量就增加2.5％～3.0％；其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。
