超滤、纳滤、反渗透多功能膜分离实验装置说明

一、实验目的：
1．学习和掌握超滤、纳滤和反渗透膜分离技术的基本原理。
2．了解多功能膜分离制纯净水的流程，设备组成和结构特点。
3．通过测定纳滤和反渗透膜分离技术制得纯净水的透过率，分析比较出分离技术的优劣。
二、实验原理：
超滤（UF）：是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体进行物理的筛分过程。其分子切割量（ CWCO ）一 般为 6000 到 50 万，孔径约为 100nm （纳米）。
超滤是利用多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定大小的杂质颗粒。在压力驱动下，溶液中水、有机低分子、无机离子等尺寸小的物质可通过纤维壁上的微孔到达膜的另一侧，溶液中菌体、胶体、颗粒物、有机大分子等大尺寸物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛分溶液中不同组分的目的。该过程为常温操作，无相态变化，不产生二次污染。

从操作形式上，超滤可分为内压和外压。运行方式分为全流过滤和错流过滤两种。当进水悬浮物较高时，采用错流过滤可减缓污堵，但相应增加能耗。
纳滤膜（NF）：纳滤膜分离过程无任何化学反应透过物大小在１～ 10nm，无需加热，无相转变，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被越来越广泛地应用于饮用水的制备和食品、医药、生物工程、污染治理等行业中的各种分离和浓缩提纯过程。纳滤膜在其分离应用中表现出下列两个显著特征：一个是其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为 200 ～ 2000 ；另一个是纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。
反渗透（RO）：在一定压力下水分子由盐水端透过反渗透膜向纯水端迁移。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。反渗透设施生产纯水的关键有两个，一是一个有选择性的膜，我们称之为半透膜，二是一定的压力。 简单地说，反渗透半透膜上有众多的孔，这些孔的大小与水分子的大小相当，由于细菌、病毒、大部分有机污染物和水合离子均比水分子大得多，因此不能透过反渗透半透膜而与透过反渗透膜的水相分离。 在水中众多种杂质中,溶解性盐类是最难清除的.因此,经常根据除盐率的高低来确定反渗透的净水效果.反渗透除盐率的高低主要决定于反渗透半透膜的选择性。目前，较高选择性的反渗透膜元件除盐率可以高达99.7%。
三、实验装置流程示意图：如图一所示
 

图一、实验装置流程示意图
实验装置由1支石英砂滤、2支超滤膜、1支纳滤膜、1支反渗透膜和高低压离心泵、5个水箱、流量计等组成，用电导仪测定原料水的电导率。反渗透纳滤部分：原料水箱装满自来水经低压离心泵通过家用过滤器砂滤装置并经过高压离心泵，进入到反渗透或纳滤膜中进行过滤。过滤后测量电导流入产品水箱。超滤膜部分：原料水加入一定浓度的聚乙二醇，经过流量计计量进入到两个并联的超滤膜，经过滤后分别进入浓水槽和纯水槽。
四、实验设备操作方法：
㈠ 反渗透、纳滤操作：
1．连接好设备电源（为380V电源，三相五线，良好接地）。
2．将原料水箱注入自来水水位至四分之三。
3．启动低压离心泵经过微型过滤器，在经过沙滤筒，在经过启动高压离心泵通过反渗透或纳滤膜（反渗透和纳滤单独做），膜顶端分别为浓水和纯水，分别经过转子流量计计量进入到原料槽和产品槽。
4．记录原水电导率和淡水电导率。
5．反渗透实验与纳滤膜实验相同。
6．备存放实验室应有合适防冻措施，严禁结冰。
7．渗透短期停机，应隔两天通水一次，每次通水30分钟；长期停机应采用1%亚硫酸氢钠或甲醛液注入组件内，然后关闭所有阀门封闭，严禁细菌侵蚀膜元件。三个月以上应更换保护液一次。
8．停机，必须切断电源。
㈡ 超滤膜操作：
本装置有膜组件两个，从流程安装上既可以并联操作，也可以交替单独操作。
实验物料采用聚乙二醇水溶液。
原料液配置：液量35L（储槽使用容积），浓度约30mg/L。方法是取MW20000聚乙二醇1.1g放入1000ml的烧杯中，加入800ml水搅拌至全溶。在储槽内稀释至35L并搅拌均匀。
1．分析试剂及物品：
聚乙二醇MW20000,500g    冰乙酸（化学纯）500ml    次硝酸铋（化学纯）500g
碘化钾（化学纯）500g     醋酸钠（化学纯）500g    
蒸馏水棕色容量瓶100ml二个    500ml一个    1000ml一个    100ml十个
移液管50ml一支    5ml二支     量液管5ml一支   
量筒250ml一个   10ml二个；    工业滤纸若干。
2．发色剂配制.：
A液：准确称取1.600g次硝酸铋置于100ml容量瓶中，加冰乙酸20ml蒸馏水稀释至刻度。
B液：准确称取40g碘化钾置于100ml棕色容量瓶中，蒸馏水稀释至刻度。
Dragendoff试剂：量取A液、B液各5ml置于100ml棕色容量瓶中加冰乙酸40ml,蒸馏水稀释至刻度。有效期为十年。
醋酸缓冲液的配制：称取0.2.mol/L醋酸钠溶液590ml及0.2mol\L冰乙酸溶液410ml置于1000ml容量瓶中，配制成PH4.8醋酸缓冲液。
3．分析操作：（选择性操作）
●用比色法测量原料液，超滤液和浓缩液的浓度。
●仪器—722型分光光度计，是用前认真阅读说明书。
●开启分光光度计电源，将测定波长置于510mm处，预热20分钟。
●绘制标准曲线：准确称取在60℃下干燥4小时的聚乙二酸1.000g溶于1000ml溶量瓶中，分别吸取聚乙二醇溶液0.5，1.5，2.5，3.5，4.5ml稀释于100ml溶量瓶内配制成浓度为5，15，25，35，45mg/L的聚乙二醇标准溶液。在各去50ml加入100ml溶量瓶中，分别加入Dragendoff试剂及醋酸缓冲液各10ml，蒸馏水稀释至刻度，放置15分钟，与波长510nm下，用1cm比色池，在722型分光光度计上测定光密度，蒸馏水为空白。以聚乙二醇浓度为横坐标，光密度为纵坐标作图，绘制出标准曲线。
●取试样50ml置于100ml溶量瓶内，用标准曲线操作相同的方法测试样光密度值，绘制出标准曲线。
  4．实验操作（并联操作）
将料液置于原料槽，首先关闭所有阀门，然后启动离心泵，打开旁路阀进行混料，混料一段时间后，打开进入两组超滤膜的阀门，膜顶部分成两部分一部分为浓缩液，一部分为超滤液。分别进入到浓缩液槽和超滤液槽。同时打开两组阀门，在打开转子流量计调节流量，同时控制浓缩液和超滤液的阀门开度来控制超滤膜内压力，过十分钟后取超滤液和浓缩液进行分析。
五、实验记录：                     
纳滤膜实验原水电导561 μS, 淡水电导250μ S
透过率=（561-250）/561=55.4%
反渗透膜实验原水电导561μS, 淡水电导12μS
透过率=（561-12）/561=97.8%
超滤举例（供参考）
1.按上述个步骤准备好之后，即可以进行实验操作；
2.实验工艺参数：流量：30l/h。
3.操作：实验开始前打开循环阀先使原料管中的料液混合均匀。
4.进行比色分析：
 

样品	原料液	浓缩液	超滤液	备注
吸光值A	0.623	0.630	0.302
浓度C	C1	C3	C2	从标准曲线查找，此处略

 
5．截留率Ru的计算：
Ru=×100%
=×100%
=×100%
=51.5%
Ru越大表示超滤组件分离效果越好。