中空纤维超滤膜分离
实验指导书
膜分离技术是近几十年迅速发展起来的一类新型分离技术。

膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质与溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。

膜分离法可用于液相和气相。

对于液相分离可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系。

膜分离包括反渗透、超过滤、电渗析、微孔过滤等。

膜分离过程具有无相态变化、设备简单、分离效率高、占地面积小、操作方便、能耗少、适应性强等优点。

目前，在海水淡化、食品加工工业的浓缩分离、工业超纯水制备、工业废水处理等领域的应用越来越多。

超过滤是膜分离技术的一个重要分支，通过实验掌握这项技术具有重要的意义。

（一）实验目的
1. 了解和熟悉超过滤膜分离的工艺过程；
2. 了解膜分离技术的特点；
3. 培养学生的实验操作技能。

（二）超滤膜分离的基本原理
通常，以压力差位推动力的液相膜分离方法有反渗透、纳滤、超滤和微滤等方法。

对于超滤而言，一种被广泛用来形象地分析超滤膜分离机理的说法是“筛分”理论。

该理论认为，膜表面具有无数微孔，这些实际存在的不同孔径的孔眼像筛子一样，截留住了分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离的目的。

最简单的超滤器的工作原理如下：在一定的压力作用下，当含有高分子和低分子溶质的混合溶液通过被支撑的超滤膜表面时，溶剂（如水）和低分子溶质（如无机盐类）将透过超滤膜，作为透过物被搜集起来；高分子溶质（如有机胶体）则被超滤膜截留而作为浓缩液被回收。

应当指出的是，若超滤完全用“筛分”的概念来解释，则会非常含糊。

在有些情况下，似乎孔径大小是物料分离的唯一支配因素；但对有些情况，超滤膜材料表面的化学特性却起到了决定性的
截留作用。

如有些膜的孔径既比溶剂分子大，又比溶质分子大，本不应具有截留功能，但令人意外的是，它却仍具有明显的分离效果。

由此可知，比较全面的解释是：在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学性质等，将分别起着不同的截留作用。

因此，不能简单地分析超滤现象，孔结构是重要因素，但不是唯一因素，另一重要因素是膜表面的化学性质。

（三） 实验设备、流程和仪器
1.主要设备：
中空纤维超滤组件如图1所示。

主要参数：膜材料，聚砜；截留分子量，6000；适宜流量，200~300L/h ；操作压力≤0.15Mpa ；正洗压力≤0.15Mpa ；使用温度，5~45℃；pH 范围，2~13, 颗粒粒经：＜5m 。

2. 实验流程（见图2）
实验装置及流程示意图如图2所示。

中空纤维超滤膜组件截留分子量为6000，膜面积约为2m 2,适宜流量为200~300L/h 。

本实验将料液——聚乙烯醇水溶液（PV A ）经泵输送至过滤器，然后从膜下部进入
料液入口
图1.中空纤维超滤膜组件
膜组件。

将料液分为：①透过液——透过膜的稀溶液，该液除取样以外其它全回料液贮槽；②浓缩液——未透过膜的PV A溶液（浓度高于料液）。

浓缩液回料液贮槽。

中空纤维膜组件容易被微生物侵蚀而损伤，故在未使用时应加入保护液。

流程中，保护液储罐为膜组件加保护液（用超滤水配制的1%亚硫酸氢钠溶液注满，并避光保存，3个月需更换保护液）；过滤器——200目不锈钢丝网过滤器，作用是拦截料液中的不溶性杂质，以保护膜不受阻塞。

溶液中PV A的浓度采用722型紫外分光光度计分析。

3. 主要仪器：
722型分光光度计，用于测定PV A的浓度。

图2超过滤膜分离实验流程图
（四）准备工作、实验方法与步骤
1.准备工作
(1) 用超滤水配制1%亚硫酸氢钠溶液作为保护液；
(2) 配制5‰的PV A溶液；使用时，取一定量加入料液贮槽中，充分混匀，制成浓度为0.3~0.4‰的原料液；
(3) 配制发色剂：发色剂为碘和硼酸的混合溶液，浓度为碘0.003mol·L-1，硼酸0.32mol·L-1；
(4) 722型紫外分光光度计通电预热20min以上；
(5) 测定标准工作曲线（此项一般由实验室老师预先做好）。

(6) 溶液储槽和清洗水储槽的放净阀除进行放净操作以外，维持关闭状态。

(6) 溶液和清洗水的循环阀可进行自循环操作和系统流量调节，请选择使用。

(8) 保护液储罐的加料球阀除向保护液储罐添加保护液操作以外，维持关闭状态。

2. 实验方法
将预先配置的PV A料液在室温下，进行不同流量的超滤膜分离实验。

在稳定操作30分钟后，取样品分析。

取样方法：从料液贮槽中用移液管取5.0mL料液入50.0mL 容量瓶中，与此同时在透过液出口端用100.0mL烧杯接取透过液约50.0mL，然后用移液管从烧杯中取10.0mL放入第二个容量瓶中；在浓缩液出口端用100.0mL烧杯接取浓缩液约50.0mL，并用移液管从烧杯中取5.0mL放入第三个容量瓶中。

利用722型分光光度计，测定三容量瓶中PV A浓度。

烧杯中剩余透过液和浓缩液全部倾入料液贮槽中，充分混匀。

然后进行下一个流量实验。

3. 操作步骤
（1）722型分光光度计通电预热20分钟以上。

（2）放出超滤组件中的保护液。

为防止中空纤维被微生物侵蚀而损伤，不工作期间，在超滤组件内加入保护液。

在实验前，须将保护液放净。

放净保护液对应的阀组操作状态为：
关闭保护液罐球阀、关闭保护液进口球阀、打开透过液调节阀、关闭浓缩液调节阀；打开料液进口阀、打开透过液取样阀；再打开膜组件放净阀，这样即可放净保护液。

放出的保护液用容器接存。

(3) 清洗超滤组件。

为洗去残留的保护液，用自来水清洗2~3次，然后放净清洗液。

其对应的阀组操作状态为：
关闭溶液储槽出口阀，开启清洗水储槽出口阀；在清洗水储槽注入一定量的自来水。

关闭保护液罐球阀、关闭保护液进口球阀、关闭膜组件放净阀，关闭透过液取样阀；关闭浓缩液取样阀；关闭料液回流阀；打开料液进口阀，打开透过液调节阀阀，打开浓缩液调节阀。

再开泵通清水冲洗5分钟，停泵，再按（2）中操作模式放净清洗液。

（4）膜（组件）过滤运行准备
检查实验系统阀门开关状态。

使系统各部位的阀门处于膜过滤运行的“开”或“关”状态。

膜组件运行对应的阀组操作状态为：
关闭清洗水储槽出口阀，开启溶液储槽出口阀，在溶液储槽注入一定量的溶液，关闭保护液罐球阀、关闭保护液进口球阀、关闭膜组件放净阀，关闭透过液取样阀；关闭浓缩液取样阀；关闭清洗水回流阀；再依次打开料液回流阀；打开料液进口阀，打开透过液调节阀，打开浓缩液调节阀。

（5）用移液管取PV A料液5ml放入容量瓶（50ml）中，用以测定原料液的初始浓度。

（6）启动泵通溶液进行膜过滤，注意调节，使透过液和浓缩液流量比例适宜。

稳定运转20分钟后，按“实验方法”进行条件实验，做好记录。

然后改变流量，重复进行实验，数据取足即可停泵。

（7）清洗超滤组件。

待超滤组件中的PV A溶液放净之后，用自来水代替原料液，在较大流量下运转20分钟左右，清洗组件中残余PV A溶液。

放净超滤组件中的PV A溶液对应的阀组操作状态为（同放净保护液阀组操作状态）（8）加保护液。

如果10小时以上不使用超滤组件，须加入保护液至组件1/2高度以上。

然后密闭系统，避免保护液损失。

加保护液之前请放净系统的中的清洗水，放净清洗水对应的阀组操作状态同放净保护液操作状态。

加保护液时，仅需开启透过液调节阀阀作放空用，膜组件附近其他阀门关闭。

（9）将722分光光度计清洗干净，放在指定位置；切断分光光度计的电源。

（五）数据处理处理
1. 按下表记录实验条件和数据。

压力(表压)：Mpa 温度：℃日期：年月日
2．数据处理：
（1）PV A 的脱除率：
%100⨯-=
原料液初始浓度
透过液浓度
原料液初始浓度f
（2）PV A 回收率：
%100⨯=
量
原料液中量
浓缩液中PVA PVA Y
（3）在坐标纸上绘制Y 与流量的关系曲线。

标准曲线：
(六) 思考题
1. 讨论超滤膜分离机理？
2. 超滤组件中加保护液的目的？
3. 实验中流量过大会有什么影响？
4. 提高料液温度对超滤有什么影响？
(七) 聚乙烯醇的比色分析方法
该法利用碘和硼酸混合液作为发色剂，与PV A 发生显色反应，发色剂为：碘0.003M 与硼酸0.32M 混匀。

操作：取定量中型或微酸性PV A 溶液加入50ml 容量瓶中，加入8ml 混合液用蒸馏水稀释至标线，摇匀，放置15分钟，用分光光度计在690nm 处测定吸光度A ，然后由标准曲线查得PV A 的浓度；按照测定样品相似的方法，测定配制已知浓度的标准样品，
然后以A为纵坐标浓度为横坐标绘制标准曲线。

阀门名称：
清洗水储槽出口阀
溶液储槽出口阀
清洗水储槽放净阀
溶液储槽放净阀
清洗水循环阀
溶液循环阀
保护液罐球阀
保护液进口球阀
膜组件放净阀
透过液取样阀
浓缩液取样阀
清洗水回流阀
料液回流阀
料液进口阀
透过液调节阀
浓缩液调节阀。