中空纤维超滤膜性能

一、实验原理

1.掌握简易的实验室超滤膜组件封装的操作技术；

2.掌握中空纤维膜渗透通量和分离效率的方法。

二、实验原理

膜的性能包括物理化学性能和分离透过性能。膜的物理化学性能是指承压性、耐温性、耐酸碱性、抗氧化性、耐生物与化学侵蚀性、机械强度、膜的厚度、含水量、毒性、生物相容性、亲水性和疏水性、孔隙率、电性能、膜的形态结构以及膜的平均孔径等。膜的分离透过特性主要是指渗透通量和分离效率。

超滤膜分离基本原理是用压力差作为推动力，利用膜孔的渗透和截留性质，使不同的组分实现分离，因此要达到良好的分离目的，要求被分离的组分间相对分子质量至少要相差一个数量级以上。超滤膜分离的工作效率以渗透通量和分离效率作为衡量指标。膜通量计算如下式：

式中，J为膜的渗透通量（通常纯水通量）（L/m2h，0.1 MPa）；

S为中空纤维膜的有效面积（外压法为膜外表面积，内压法为膜内表面积）（m2）；

V为透过液体的体积（L）；t为时间（h）。

组分截留率的定义如下：

式中—R为截留率；

C0为原溶液浓度；

C1为透过液浓度。

将中空纤维膜封成膜组件后，进行中空纤维膜的通量与截留率的。进料液可以从膜的内表面透过膜，也可以通过膜的外表面透过膜，因此水通量和截留率的方式分为内压法和外压法，如图3所示。另一方面，根据料液在膜组件中流动方式的不同，水通量和截留率的方式又可以分为：错流法和死端法。综上所述，中空纤维膜的水通量和截留率的方式可以分为：内压错流法、外压错流法、内压死端法和外压死端法，如图4所示。本实验中中空纤维膜的通量和截留率用的都是内压错流过滤，如下图所示。

 

三、实验原料和设备

1. 原料：

（1）组装膜组件所需材料 中空超滤纤维膜；塑料管；尼龙（1010）管；一次性纸杯；哥俩好胶；705胶；膜组件封装专用树脂。

（2）水通量和截留率所需材料 碳素墨水；量筒；塑料量杯；菌种瓶。

2. 设备：防震压力表；不锈钢球形阀门；输液泵；三通；变径；PU管。

四、实验装置与流程

如下图所示。

中空纤维超滤膜过程流程

A:磁力搅拌器（电热套） B: 进料桶 C:温度计 D:泵 E:压力表 F:膜组件 G:量筒 H:阀门 I:阀门 管道标号：1、2、3、4、5、6

五、实验步骤

1、中空纤维膜的预处理与孔径观察

截取一小段膜，在光学显微镜下观察内、外表面和断面的孔结构。

2、膜组件的封装

（1）剪取4-5cm的塑料管两根，用哥俩好胶将其一端粘在纸上，两根塑料管的距离10-15cm，晾干备用。

（2）取长度约30cm中空纤维膜5-10根，剪齐，在膜两端涂覆705硅橡胶进行封端，干后（约6小时）在膜两端套上尼龙管（4-5cm）。

（3）组件浇铸：将膜组件专用树脂（两组份）在一次性纸杯中按一定比例混匀，倒入（1）中的塑料管中（充满塑料管体积的2/3），然后将（2）中的尼龙管插入到塑料管中（注意：尼龙管不能插到底，膜要插到底；在操作的过程中尽量防止气泡的产生），等树脂完全固化后（约12小时），进行修整（拨去塑料管，将膜长出尼龙管的部分割去），得到实验室用简易的膜组件，并检验膜组件是否漏。

3、水通量与截留率的

（1）水通量的测定 如图5所示，用泵将纯水压送到中空纤维膜组件内，进口压力恒定为0.10MPa，经过膜分离，用量筒接取渗透液，记录一定时间内渗透过膜的水量，多余的水则回流到贮槽中。三次，取其平均值。计算得到纯水通量。

（2）用中空纤维膜组件截留碳素墨水中的碳素颗粒，截留实验用的装置和膜水通量的装置相同。将一定浓度的碳素墨水（约0.4g/L）溶液作为的进料液，置于磁力搅拌器上不停搅拌，以保证实验过程中混合均匀。用浊度仪原料液和渗透液的透光度。

（3）绘制“浊度-碳素墨水浓度”标准曲线，根据所测浊度，在标准曲线上找出浓度，计算得到截留率。

六、实验结果处理

1.水通量的计算

孔径d=0.0735mm s=π*d*h=3.14*0.0735*350=80.78mm^2=8.08*10^-5m^

t=0.402h

根据数据，后七个比较稳定，则

J=v/(s*t)

=6*10^-3/(0.4092*8.08*10^-5)

=184.72l*m^-2*h^-1

2.截留率的测定，过滤前浊度=98.5 过滤后浊度=2.15

根据浓度-浊度的关系曲线，过滤前的浓度=0.16mg/l

过滤后的浓度=408.8mg/l

=1-0.16/408.8*100%

=99.96%

七、实验结论及感想

在中空纤维超滤膜的制备与性能的实验中，我了解了中空纤维膜的制备方法，熟悉了实验设备，也了解到利用中空纤维膜超滤的原理，水通量和截留率测定的原理。在做实验的时候，查了一些资料，更加明白中空纤维膜和我们的生活密密相关，例如咱们喝的水通常要就行过滤处理，就会用到该膜，而膜技术在国内已开始广泛应用，膜技术推广也已进入成熟期，采用膜技术进行污染物与水分子进行分离，可将宝贵的水资源进行二次利用，同时污染物中的贵重金属离子也可以过滤浓缩回收使用，经济效益十分可观，知名石化、羊绒制造、饮料、医药、城市污水处理等单位已大规模应用，不占地，不耗费能源，投资收益明显，前景极为广阔。例如在发酵液除菌过滤发酵，液菌体浓缩回，用果酒、药酒、低度白酒的澄清过滤除浊，茶饮料、果饮料澄清过滤浓缩，中药提取液的分离和精制，高浓度高黏度溶液过滤，城市污水回收，住宅小区或大楼中水回用，自来水、地下水除菌除浊净化，反渗透系统的前级预处理，海水淡化前级预处理，餐饮行业自来水净化。