膜法水处理实验（一）——超滤膜通量测量
一、 实验目的
（1） 掌握中空纤维超滤膜通量测量的标准方法。

（2） 理解中空纤维超滤膜过滤过程中的膜污染现象。

（3） 掌握中空纤维膜组件运行过程跨膜压差的调控方法。

（4） 根据Darcy 定律计算中空纤维膜过滤阻力。

二、 实验原理
通量是指在一定流速、温度、压力下，单位时间、单位膜面积的液体（或气体）透过量，是衡量膜组件性能及运行状况的重要参数。

根据上述定义，膜通量可由式（1）计算
Q
J At
=
（1） 其中，F 表示通量，m 3/(m 2∙h)；Q 表示液体（或气体）透过量，m 3；A 表示膜面积，m 2；t 表示收集透过液体（或气体）的时间，h 。

对于液体，透过量通常通过直接测量一段时间内透过膜的液体体积或质量的方法获得。

在超滤进行的过程中，由于膜孔对水溶液中溶质或悬浮物的截留和吸附作用，以及溶质的浓差极化作用或凝胶层的形成，均会导致超滤过滤性能的下降，即在恒压操作下表现为膜通量的下降而在恒流操作下表现为跨膜压差的升高。

这就是所谓的膜污染现象，是膜过滤过程中不可避免的现象。

根据形成膜污染的原因，膜过滤阻力可表示为：
t m p f m p ef if m c if R R R R R R R R R R R =++=+++=++ （2）
其中，R t 表示膜过滤过程的总阻力；R m 表示清洁膜的固有阻力；R p 表示浓差极
化阻力；R f （=R ef + R if ）表示污染阻力；R ef 表示凝胶层阻力；R if 表示内部污染阻力；R c （=R p + R ef ）表示沉淀阻力。

以Darcy 定律为基础得出下列过滤通量的表达式：
()
t m p ef if P P
J R R R R R μμ∆∆=
=
+++ （3） 其中，μ表示溶液的粘度，Pa ∙s ，24 °C 时纯水粘度μw =9.186×10-4 Pa ∙s 。

J 0表示新膜纯水通量，J 1表示过滤原水的稳定通量，J 2表示纯水冲洗后的纯水通量，J 3表示刷洗后的纯水通量。

0m
w P
J R μ∆=
（4） ()
1m p ef if w P
J R R R R μ∆=
+++ （5）
()
2m ef if w P
J R R R μ∆=
++ （6）
()
3m if w P
J R R μ∆=
+ （7）
可得膜过滤过程中各部分阻力
m 0
w P
R J μ∆=
（8） m p ef if 1
w P
R R R R J μ∆+++=
（9） if 30
w w P P
R J J μμ∆∆=
- （10） p 12
w w P P
R J J μμ∆∆=
- （11）
（12）
图1 实验装置图
三、实验装置与设备
1、自制中空纤维膜过滤装置一套，含隔膜泵、压力表、流量计、膜组件支架等单元，如图1所示。

2、中空纤维膜组件，内含直径为0.12 cm、有效长度为20 cm的PVC材质中空纤维膜30 根，截留分子量约为10 kDa。

使用前膜组件浸泡在去离子水中。

3、百分之一电子天平。

4、秒表。

5、500 mL烧杯、250 mL量筒。

6、去离子水5 L，畔湖水5 L。

四、实验步骤
1、用去离子水清洗中空纤维膜组件，并将其安装至实验装置上。

2、熟悉实验装置，链接管路，将阀门调至全开状态。

将去离子水倒入水槽中，打开隔膜泵，膜组件在内压正压式条件下运行。

3、用天平称量空烧杯质量（m0）备用。

4、逐步降低阀门开度，观察压力表读数变化，并排空膜组件中的空气。

5、调节阀门使压力表读数稳定在0.01 MPa。

6、待透过液流量稳定后，用烧杯接透过液并以秒表开始计时。

约5 min后停止计时并同时移开烧杯。

记录秒表上的时间（t）并称量烧杯质量（m1）。

7、重复上述实验若干次，并由式（1）计算中空纤维膜的清水通量值J0。

实验应获得至少三组J0数据，其间的相对标准偏差<5%。

8、通过降低阀门开度使压力表读数分别稳定在0.03 MPa和0.05 MPa，重复上述实验。

实验原始数据填写至表1中。

表1 清水通量测试原始数据
9、将水槽及管路中的清水排空，向其中注入静置沉淀后的畔湖水，重复上面的实验，得到不同跨膜压力下的膜通量。

注意，与清水通量测试相比，湖水过滤系统的稳定时间应适当延长以使膜污染充分发展。

实验原始数据填写至表2中。

表2 湖水通量测试原始数据
五、实验结果整理
1、根据实验数据计算不同实验条件下清水通量和湖水通量。

表3 膜通量结果
2、以跨膜压力为横坐标、以通量为纵坐标作图。

3、计算实验用中空纤维膜的固有阻力和不同实验条件下过滤湖水的阻力。