组合膜分离实验室指导书.docx

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组合膜分离实验室指导书

组合膜分离乳清废水实验

目录:

一．实验装置图

二．装置性能及特点

三．教学实验要求

1．实验原理及目的

2．实验内容及步骤

3.膜组件的清洗

华东理工大学化学工程与工艺实验中心

2004年12月

一、实验装置图

二、装置性能及特点

主要设备：

原料储槽：

容积60升，材质ABS工程塑料；

Y型预过滤器：

材质工程塑料，进口；

增压泵：

型号FLUID-O-TECH1533，进口；

压力控制器：

型号FannioFNC-K20；

2521型超滤、纳滤、反渗透膜组件：

美国原装进口，性能如下表

（1）；

膜壳：

2521型不锈钢，进口；

电导仪：

型号CM-230，在线检测仪；

流量计：

规格10－100L/H和1－7L/M，面板式有机玻璃转子流量计；

管道及阀门：

进口UPVC；

不锈钢电控柜及不锈钢支架。

表1　膜组件性能

膜组件

规格

纯水通量

面积

压力范围

分离性能

反渗透

2521

≥40L/H

1.1m2

≤1.5Mpa

除盐率98%

纳滤

M-N2521A3

≥80L/H

1.1m2

≤1.0Mpa

二价盐除盐率95%

一价盐除盐率30-40%

超滤

M-U2521PES10

≥100L/H

1.1m2

≤0.5Mpa

截留分子1万,截留率90%

设备特点：

本装置是中试型实验装置，可作为膜分离扩大工艺的实验设备，也可作为小批量生产设备使用。

本装置将超滤、纳滤、反渗透三种卷式膜组件并联于系统，根据分离要求选择不同膜组件单独使用，适用范围广，其组合膜过程可分离分子量为几十的离子物质到分子量几十万的蛋白质分子。

本装置设计紧凑，滞留量小，系统允许压力范围为0～1.6MPa，超过1.6Mpa时，为保护膜组件及设备，压力保护器会切断输液泵电流，实际操作时还应参考相应膜组件的操作压力范围。

三、教学实验及要求

1．实验原理及目的

现代膜技术起源于20世纪60年代，作为一门新型的分离、浓缩、提纯技术，发展十分迅速。

在膜分离过程中，由于膜具有选择透过性，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等），原料侧组分选择性地透过膜，实现双组分或多组分的溶质与溶剂的分离。

膜的透过性主要取决于膜材料的化学性质和分离膜的形态结构，因此，选用高选择性、高通量的膜和选择性能良好的膜组件是膜分离过程的关键。

通常，膜材料按来源形态和结构可分为天然膜和人工合成膜；有机膜和无机膜；对称膜、非对称膜；复合膜和多层复合膜等。

膜组件是一定面积的膜以某种形式组装成器件，常用的膜组件有管式、卷式、毛细管式、中空纤维和板框式。

膜分离技术具有高效节能、无相变、设计简单、操作方便等优点，特别是它可在常温下连续操作，对热敏性物质起保护作用，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。

我国是大豆生产大国，按年产8万吨大豆分离蛋白计算，每年废弃大豆乳清废水达400万吨，严重污染环境。

乳清废水中通常含有经济价值很高的可溶性蛋白和功能性大豆低聚糖，直接排放，导致了大量资源浪费。

本次实验，通过组合膜装置综合处理模拟乳清废水，浓缩、提取乳清蛋白和葡萄糖，实现水资源回复使用，对了解和熟悉膜分离技术具有重要意义。

1.1实验目的

（1）学会独立设计实验方案，组织并实施；

（2）掌握评价膜性能的方法，确定各膜组件分离的适宜操作条件；

（3）掌握膜分离的基本原理及实验技能；

1.2实验原理

膜分离过程的基本特征:

工业化应用的膜分离包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、渗透汽化（PV）和气体分离（GS）等。

根据不同的分离对象和要求，选用不同的膜过程。

超滤、纳滤和反渗透都是以压力差为推动力的液相膜分离方法，其三级组合膜过程可分离分子量几十万的蛋白质分子到分子量为几十的离子物质，图1是各种膜对不同物质的截留示意图。

图1膜的截留示意图

超滤（Ultrafiltration，简称UF）

一般认为超滤是筛孔分离过程，膜表面具有无数微孔，这些实际存在的孔眼像筛子一样，截留住了分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离目的。

膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。

溶质被截留有三种方式：

在膜表面机械截留（筛分）、在膜孔中停留（阻塞）、在膜表面及膜孔内吸附（吸附）。

反渗透（ReverseOsmosis，简称RO）

反渗透膜通常认为是表面致密的无孔膜，只能通过溶剂（通常是水）而截留绝大多数溶质，反渗透过程以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，实现液体混合物分离。

反渗透膜的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关，还与膜的化学、物理性质有密切关系。

纳滤（Nanofiltration，简称NF）

纳滤膜孔径范围在纳米级，截留分子量数百的物质，其分离性能介于反渗透和超滤之间，其传质机理为溶解－扩散方式，由于纳滤膜大多为荷电膜，其对无机盐的分离行为不仅受化学势梯度控制，同时也受电势梯度影响。

各膜分离过程主要差异如下表

（1）。

表1膜分离过程的基本特征

膜过程

膜类型

传递机理

操作压力

（一般工业）

超滤

非对称膜

筛分

0.1～1MPa

纳滤

非对称膜或复合膜

溶解-扩散Donna效应

0.5～1.5MPa

反渗透

非对称膜或复合膜

溶解-扩散

优先吸附-毛细管流动

1～10MPa

膜分离性能的表示方法:

膜性能包括膜的物化稳定性和膜的分离透过性。

膜的分离透过性主要指分离效率、渗透通量和通量衰减系数三方面，可通过实验测定。

分离效率对于溶液中蛋白质分子、糖、盐的脱除可用截留率R表示，

（1）

实际测定的是溶质的表观分离率，定义为，

（2）

渗透通量通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量JW表示，

　　　（3）

通量衰减系数膜的渗透通量由于过程的浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间而衰减，可用下式表示，

　　　（4）

膜分离实验中常采用原料的浓缩倍数表示膜分离效率，定义为

（5）

式

（1）、

（2）、（5）中，cb、cw、cp、cd分别表示溶质的主体溶液浓度、高压侧膜与溶液的界面浓度、透过液浓度、浓缩液浓度。

式（3）中，V是膜的透过液体积,S是膜有效面积,t是运行时间；JW通常以mL/（cm2·h）为单位。

式（4）中，Jt、J1分别表示膜运转t小时和1小时后的渗透通量，t为运转时间。

式（5）中，

是膜分离前后溶质的浓缩倍数。

超滤、纳滤、反渗透是压力驱动型膜，随着压力增大，膜渗透通量J逐渐增加，截留率R有所提高，但压力越大，膜污染及浓差极化现象越严重，膜渗透通量J衰减加快。

超滤膜为有孔膜，通常用于分离大分子溶质、胶体、乳液，一般通量较高，溶质扩散系数低，受浓差极化的影响较大；反渗透膜是无孔膜，截留物质大多为盐类，因为通量低、传质系数大，在使用过程中受浓差极化影响较小；纳滤膜则介于两者之间。

由于压力增大，引起膜材质压密作用，膜清洗难度和操作能耗均加大。

因此，根据膜组件的分离性能，应确定适宜的操作压力。

温度也是影响膜分离性能的重要操作因素，随着温度升高，溶液扩散增强，膜的渗透速度增大，但受膜材质影响，膜的允许温度一般应低于45℃，在本实验中，不考虑温度因素。

膜污染的防治:

膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜产生物化作用或机械作用，在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，从而产生膜通量下降、分离效率降低等不可逆变化。

对于膜污染，一旦料液与膜接触，膜污染即开始。

因此，膜分离实验前后，必须对膜进行彻底清洗，采用低压（≤0.2Mpa）、大通量清水清洗法；当膜通量大幅下降或膜进出口压差≥0.2Mpa，一般清洗不能有效减轻污染，应选用清洗剂或考虑更换膜。

大豆蛋白对膜污染比较严重，根据文献，用NaOH和蛋白酶清洗能有效减轻膜污染。

2实验内容及步骤

实验内容：

Ø膜组件性能测定

超滤配制2.5g/L大豆蛋白水溶液，在0~0.5MPa内调节操作压力，测定4~5个不同压力（膜进口压力）下截留率、渗透通量；在某一压力下，0-120分钟内测定4~5个不同时刻膜渗透通量；建立P～R、P～J、J～t关系曲线，确定超滤膜分离适宜的操作压力P1；

纳滤配制5g/L葡萄糖溶液，在0~1.0MPa内调节操作压力，测定4~5个不同压力下纳滤膜的截留率、渗透通量，建立P～R、P～J关系曲线，确定纳滤膜分离适宜的操作压力P2；

反渗透配制5g/L氯化钠溶液，在0~1.5MPa内调节操作压力，测定4~5个不同压力下反渗透膜的截留率、渗透通量，建立P～R、P～J关系曲线，确定反渗透分离时适宜的操作压力P3。

Ø乳清废水浓缩分离

配制乳清废水约50L（2.5g/L大豆蛋白，5g/L葡萄糖，5g/L氯化钠），加入储槽。

调节操作压力P1，通过超滤膜浓缩分离乳清废水，测定一级膜分离后大豆蛋白浓缩倍数，超滤透过液用于纳滤分离。

调节操作压力P2，通过纳滤膜分离浓缩葡萄糖，测定其浓缩倍数，纳滤透过液用于反渗透分离。

调节操作压力P3，通过反渗透脱盐，测定可回收的净水体积。

实验步骤：

Ø操作前准备

1．对储槽内壁进行清洗，并对储槽下Y型过滤网进行清洗；

2．在储槽内注入一定量的清水，清洗系统及膜组件保护液，时间为10分钟；

3．膜组件首次使用，用低压清水（≦0.2MPa）清洗，时间为20～30分钟，去除其中的防腐液；

4．待处理液需微过滤处理，去除机械杂质，防止损坏膜组件，若在储槽中配制原料液，务必保证溶液全溶，防止未溶颗粒损坏膜组件；

Ø操作步骤

1．关闭系统排空阀，打开待用膜组件的料液进出口阀（其余膜组件阀关闭），打开泵回路阀

、浓液旁路阀

、浓液流量阀

、透过液阀

、浓缩液阀

；

2．将待处理料液加入储槽；

3．接通电源，开启输液增压泵；

4．料液正常循环后（注意排气），逐步关闭泵回路阀

和浓液旁路阀

；

5．逐步调节浓液流量阀

，在膜组件的允许范围内调节操作压力到所需值：

（a）若进行膜组件性能测定，为保证原料液浓度不变，关闭浓缩液出口阀

，使浓缩液返回储槽，同时用橡皮软管将透过液返回到储槽中；稳定操作5分钟后取样分析，取30ml透过液分析溶质浓度、记录透过液流量；取样后，继续调节浓液流量阀

，测定下一个操作压力时透过液浓度及流量，或者在该操作压力下测定下一个时刻透过液流量；

（b）若进行乳清废水浓缩分离，打开阀

、

，分别收集透过液和浓缩液，透过液用于下一级膜分离实验，浓缩液可作为产品，稳定操作后可取样分析，取30ml原料、30ml浓缩液分析溶质浓度，为防止增压泵空转，当储槽中液位极低时可停止实验。

6．关闭时，依次打开阀

、

、

，使系统压力小于0.2Mpa，关闭输液泵；

7．打开系统排空阀，排出储槽、管路、膜组件内残余料液；

8．关闭系统排空阀，按1~4操作步骤，用低压清水（≦0.2MPa）清洗储槽、管路及膜组件，直至浓缩液、透过液澄清透明为止，可采用分析手段监测膜组件出料口溶质含量接近于零；

9．打开系统排空阀，排出储槽、管路、膜组件内清洗料液；

10．重复上述1~9操作步骤，按照实验内容，进行实验。

注意及维护事项:

1．本装置设置压力控制器，当系统压力大于1.6MPa时，会自动切断输液泵电流并停机；

2．储槽内料液不要过少，同时保持储液槽内壁清洁，较长时间（10天以上）停用时，在组件中充入1％甲醛水溶液作为保护液，防止系统生菌，并保持膜组件的湿润（保护液主要用于膜组件内浓缩液侧）；

3．膜组件为耗材，液体处理后需进行清洗处理（包括纯水清洗、药剂清洗），当膜组件通量大幅降低时应考虑更换；

4．待处理料液需预过滤，防止大颗粒机械杂质损坏输液泵或膜组件，膜组件进料最高自由氯浓度为0.1ppm；

5．每种膜组件需单独使用，使用完毕后如需使用其他膜，必须将系统残余料液放空，并进行彻底清洗，以免料液干扰；

6．增压泵启动时，请注意泵前管道需充满液体，以防损坏，如发生上述现象，请立即切断电源，短时间内空转，不一定会损坏泵。

7．管道如有泄漏，请立即切断电源和进料阀，待更换管件或用专用胶水粘结后（胶水粘结后需固化4小时）方可使用。

3膜组件的清洗

1．每批操作完成后，清洗前，打开装置所有阀门及排污阀门，使残余料液排空。

2．用纯净水清洗保养直至流出液（包括透过液和浓缩液）澄清透明为止，可配合检测手段监测流出液浓度是否接近零。

3．经冲洗干净的膜组件不可再干燥，如长期不用，应放在甲醛溶液保存。

当透过液流量明显下降时，可配制清洗药水进行清洗保养。

4．一般清洗的过程为先纯净水、后清洗药水、最后再用纯净水，之后可进行料液处理。

若清洗药水处理后透过液流量仍不能有所恢复，请考虑更换膜组件。

清洗液的配制

1．超滤组件清洗液：

无机酸、六偏磷酸钠、聚丙烯酸酯、乙烯二胺四乙酸（EDTA）清洗剂是用来清洗盐沉淀和无机垢的。

氢氧化钠清洗剂，有时添加次氯酸盐，对于溶解脂肪和蛋白质十分有效。

蛋白酶和淀粉酶等的酶清洗剂适用于中性pH场合。

2．纳滤、反渗透组件清洗液：

分酸性清洗液和碱性清洗液两种，酸性清洗液一般浓度不超过1％，可用盐酸、草酸、柠檬酸配制，适用于蛋白质、血清、重金属、碱金属氧化物等；碱性清洗液一般浓度不超过0.1％，可用氢氧化钠配制，适用肉类、乳品等。

膜组件检测方法

1．RO反渗透膜2％NaCL通过后截流率98%；

2．NF纳滤膜2％NaCL通过后截流率30-40%；

2％MgSO4通过后截流率95%；

3．超滤膜（1万分子量）

0.5%细胞色素C通过后截流率80%

0.5%聚乙烯醇通过后截流率90%