实验九 中空纤维超滤膜分离能力测试
一. 实验目的
1. 掌握超滤膜的分离原理。

2. 了解超滤膜分离能力的评价指标。

3. 了解影响超滤膜分离能力的主要因素。

4. 熟练掌握分光光度计在定量分析中的应用。

二. 实验原理
膜分离技术是21世纪绿色和节能的高科技产业技术。

由于其独特的高效性、节能性、无污染、过程简单等特点，因而在石油化工、生物化学制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、食品环保领域得到广泛应用。

超滤是指溶剂小分子与分子量在500以上的溶质大分子借助于超滤膜进行的分离过程。

超滤膜是对不同分子量的物质进行选择性透过的膜材料，通常为高分子材料制成的多孔物质，它的分子量范围介于5,000~200,000之间，孔径范围介于0.02 ~ 0.03μm 之间。

超滤膜性能参数为截留相对分子质量。

将一定孔径范围（即截留相对分子质量）的超滤膜置于溶剂小分子和溶质大分子组成的溶液中，例如聚乙二醇的水溶液，以膜两侧的压力差为推动力，水分子可以透过超滤膜的孔转移到膜的另一侧，而聚乙二醇大分子则被截留下来（如图1）。

因此，膜两侧溶液的浓度发生了相对变化，溶质和溶剂得到了一定程度上的分离。

图2是由超滤膜材料卷成的管，制成类似于列管式换热器的中空纤维超滤膜组件。

料液在超滤膜管的外侧流动，超滤液被收集到管内，在超滤膜管外侧得到浓缩液。

超滤膜分离能力评价参数为对某一分子量的溶质的脱除率。

分别测定过滤前原料液中溶质浓度、过滤后滤出液中溶质浓度，按（1式）计算超滤膜对溶质的脱除率Ru 。

Ru 越大表示超滤组件分离效果越好。

010
100%C C Ru C -=⨯ （1） C 0——过滤前溶液中大分子溶质的浓度；C 1——为过滤后滤出液中大分子溶质的浓度。

影响膜的分离能力的主要因素可以总结为三个方面：膜的截留相对分子质量（截留分子量）、被分离的溶液的组成及溶质分子量大小、分离过程的操作条件（原料液流量、膜两侧压力差）。

本实验分别以聚砜4000和聚砜6000为中空纤维超滤膜组件，测定其对一定初始浓度的分子量为4000~10000聚乙二醇的水溶液的分离能力，测定流量及压力对聚乙二醇脱除率的影响。

图1 单根中空纤维过滤聚乙二醇的放大示意图
图2 中空纤维超滤膜组件
分离过程中，原料由泵从料液入口打入，在高压的作用下，透过液从中空纤维的中心流出，浓缩液从出口回到出料罐，再循环使用。

三. 实验仪器
中空超滤纤维膜分离实验装置如图3所示。

原料液由泵送出，经精滤器过滤除杂、转子流量计计量流量，然后进入中空纤维超滤膜组件。

通过控制各阀门的开启与关闭，可以实现两个超滤膜组件的串联、并联或单独操作。

浓缩液循环返回原料液储槽，透过液流入超滤液储槽。

图3 中空超滤纤维膜分离实验装置
1—超滤液储槽；2—原料液储槽；3—泵；4—转子流量计；5—精滤器；
6，7—中空纤维超滤膜组件；8—阀门；9—压力表
四. 实验步骤
1. 实验药品
聚乙二醇：MW4000~10000，500g；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；容量瓶：500ml，一个，1000ml，一个，100ml，十个；移液管：50ml，一支；量液管：10ml，一支；量筒：10ml，一支；工业滤纸若干。

2. 发色剂配制
（1）A液：准确称取1.600g次硝酸铋置于100ml容量瓶中，加冰乙酸20ml，全溶，蒸馏水稀释至刻度。

（2）B液：准确称取40.000g碘化钾置于100ml棕色容量瓶中，蒸馏水稀释至刻度。

（3）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。

有效期为半年。

（4）醋酸缓冲液的配制：量取0.2mol/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. 绘制标准曲线
准确称取在60℃下干燥4小时的聚乙二醇1.000g溶于1000ml容量瓶中，分别吸取聚乙二醇溶液1.0，3.0，5.0，7.0，9.0ml稀释于100ml容量瓶中配成浓度为10，30，50，70，
90mg/L的聚乙二醇标准溶液。

再各取50ml加入100ml容量瓶中，分别加入Dragendoff 试剂及醋酸缓冲液各10ml，蒸馏水稀释到刻度，放置15分钟，于波长510nm下，用1cm比色池，在722型分光光度计上测定光密度，以蒸馏水为透过液制备参比液。

以聚乙二醇浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，绘制出标准曲线，作为定量依据。

3. 实验步骤
（1）于溶液槽内加入约一定量浓度为30—70ml/L的聚乙二醇水溶液。

（2）系统运转。

在总阀关闭的情况下启动泵，然后根据需要打开总阀及相应阀门，在某一流量和压力下运转使仪器运转，此时超滤液和浓缩液均流回原料液槽，运转数分钟（一般为15~20分钟）后，取原料液样品约50ml 待分析。

（3）开始实验，按实验要求调节流量及相应压力，将超滤液导入超滤液储槽，并开始计时，运转20分钟时，取超滤液约50ml进行分析。

注意事项
在调节下一个参数之前，需要将超滤液储槽中液体倒回原料液储槽。

五. 数据处理
1. 实验数据记录
2. 实验数据处理
根据工作曲线计算原料液以及各滤出液浓度，计算截留率。

3. 通过做压力对聚乙二醇截留率的图形得出压力对截流率的影响结论。

六. 思考题
1. 影响膜分离的主要因素是什么？
2. 超滤膜的分离能力评价指标有哪些？
3. 压力对聚乙二醇截留率的影响如何，为什么？。