書名：化工專業綜合實驗
作者名：周晨亮赫文秀主編
本章字數： 10字
更新時間： 2020-09-11 13:03:25

第一部分　化工基礎實驗

實驗一　反滲透膜分離實驗

一、實驗背景

反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。因為它和自然滲透的方向相反，故稱反滲透。根據各種物料的不同滲透壓，就可以使用大于滲透壓的反滲透壓力，即反滲透法，達到分離、提取、純化和濃縮的目的。當把相同體積的稀溶液和濃溶液分別置于一容器的兩側，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然地穿過半透膜，向濃溶液側流動，濃溶液側的液面會比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個壓力差，達到滲透平衡狀態，此種壓力差即為滲透壓。若在濃溶液側施加一個大于滲透壓的壓力時，濃溶液中的溶劑會向稀溶液流動，此種溶劑的流動方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透。

1960年美國加利福尼亞大學的S.Loeb和S.Sourirajan等人以醋酸纖維素為原料，加入適當添加劑，采用相轉移法，制成了不對稱膜，該膜厚度為100～200μm。該膜由致密層和支撐層構成，起分離作用的主要是致密層，致密層厚度只有0.1～0.2μm。在100atm（1atm=101325Pa，下同）下，每平方米的膜在1h內透水量能夠達到10L，使得將該膜用于實際海水脫鹽成為可能。由于反滲透膜技術具有高效、快速、節能、經濟等特點，且全世界范圍內對于環保和能源的要求越來越高，使得關于反滲透膜的研究越來越受到世界各國的重視。自1970年起，反滲透膜的脫鹽能力基本上以每年25%的速度遞增。我國自20世紀70年代初開始著手反滲透膜相關科學的研究工作，各大科研院所和使用單位協同進行，在基礎理論研究、膜和組件的生產制造、實際應用更新等方面，均取得了迅速的進展和值得稱贊的成績。

二、實驗目的

1.熟悉反滲透膜分離的基本原理及基本操作。

2.了解反滲透的影響因素如溫度、壓力、流量等對脫鹽效果的影響。

3.學會測定純水滲透通量和純水滲透系數；測定純水滲透通量與操作壓力的變化關系；測定鹽（溶質）的脫除率與操作壓力的變化關系。

三、實驗原理

對透過的物質具有選擇性的薄膜稱為半透膜，一般將只能透過溶劑而不能透過溶質的薄膜稱為理想半透膜。當把相同體積的稀溶液（例如淡水）和濃溶液（例如鹽水）分別置于半透膜的兩側時，稀溶液中的溶劑將自然穿過半透膜而自發地向濃溶液一側流動，這一現象稱為滲透。當滲透達到平衡時，濃溶液側的液面會比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一個壓差，此壓差即為滲透壓。滲透壓的大小取決于溶液的固有性質，即與濃溶液的種類、濃度和溫度有關而與半透膜的性質無關。若在濃溶液一側施加一個大于滲透壓的壓力時，溶劑的流動方向將與原來的滲透方向相反，開始從濃溶液向稀溶液一側流動，這一過程稱為反滲透。反滲透是滲透的一種反向遷移運動，是一種在壓力驅動下，借助于半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質與溶劑分開的分離方法，它已廣泛應用于各種液體的提純與濃縮，其中最普遍的應用實例便是在水處理工藝中，用反滲透技術將原水中的無機離子、細菌、病毒、有機物及膠體等雜質去除，以獲得高質量的純凈水。反滲透膜分離技術廣泛應用于海水淡化和苦咸水處理等工程中。在解決水源和環境保護方面將有廣闊的前景。

反滲透膜原理示意圖如圖1-1所示。

圖1-1　反滲透原理示意圖

如圖1-1（a）所示，用半透膜將溶劑與溶液（溶劑+溶質）分開，則溶劑將從溶劑一側通過膜向溶液一側透過，結果使溶液一側的液位上升，直到某一高度，此過程即為滲透過程。如圖1-1（b）所示，當滲透達到動態平衡狀態時，半透膜兩側存在一定的液位差或壓力差，此為指定溫度下溶液的滲透壓N。如圖1-1（c）所示，當溶液一側施加的壓力P大于該溶液的滲透壓N，可迫使滲透反向，實現反滲透過程。此時，在高于滲透壓的壓力作用下，溶液中溶劑的化學位升高，超過溶劑的化學位，溶劑從溶液一側反向地通過膜透過到溶劑一側，這就是反滲透脫鹽的基本原理。

通常，膜的性能是指膜的物化穩定性和膜的分離透過性。膜的物化穩定性的主要指標是：膜材料、膜允許使用的最高壓力、溫度范圍、適用的pH范圍，以及對有機溶劑等化學藥品的抵抗性等。膜的分離透過性指在特定的溶液系統和操作條件下，脫鹽率、產水流量和流量衰減指數。根據膜分離原理，溫度、操作壓力、給水水質、給水流量等因素將影響膜的分離性能。

反滲透膜在特定的溶液系統和操作條件下，主要通過溶質分離率、溶劑透過流速以及流量衰減系數三個參數來標明使用性能。

1.溶質分離率又稱截留率，對鹽溶液又稱脫鹽率，其定義式如下：

K=×100%　（1-1）

通常實際測定的是溶質的表觀分離率，定義為：

RE=×100%　（1-2）

式中　C1——被分離的主體溶液濃度；

　C2——高壓側膜與溶液的界面濃度；

　C3——膜的透過液濃度。

2.溶劑透過速度，對水溶液體系又稱透水率或水通量，并以下式定義：

J=　（1-3）

式中　V——透過液的容積或重量；

　S——膜有效面積；

　t——運轉時間。

單位：在實驗室范圍J通常以mL/（cm2·h）為單位，工業生產上常以L/（m2·d）為單位。

3.膜流量衰減系數，是指膜因壓密和濃差極化而引起的膜透過速度隨時間衰減程度，衰減系數的定義式為：

Jt=J1tm　（1-4）

式中　Jt、J1——膜運轉t（h）和1h的透過速度；

　　　t——運轉時間。

對式（1-4）兩邊取對數得以下線性方程：

lnJt=lnJ1+mlnt　（1-5）

式（1-5）通過雙對數坐標系作直線，可求得直線的斜率m。

理想的反滲透膜應耐化學和微生物侵蝕，使在運行過程中膜的分離性能和機械性能保持穩定。因此，反滲透凈水工藝不是單一的反滲透脫鹽過程，還應包括預處理過程，就是通過一些物化手段去除原水中的懸浮物和膠體等雜質，使其滿足反滲透膜處理的進水要求，保護反滲透膜的正常使用。同時，經過反滲透膜脫鹽，水的脫鹽率可超過95%，但透過液中還存在一定濃度的離子，其電導率、TOC（total organic carbon，有機總碳）指標一般還達不到高純水要求，工業上通常采用混床樹脂處理，對水中剩余的陰陽離子進行交換，使水進一步得到凈化。最后，采用紫外殺菌，可降低水中的TOC。

四、實驗設備及流程圖

實驗設備流程圖如圖1-2所示，實驗設備實物圖如圖1-3所示。

圖1-2　反滲透膜實驗設備流程圖

圖1-3　反滲透膜實驗設備實物圖

五、實驗步驟及方法

1.將原料罐V101加滿料液。打開原料罐的出水閥J101（J102），使高壓泵P107充滿料液。

2.打開總電源，使數字顯示儀表通電預熱。

3.以反滲透組件X108為例。將反滲透組件X108的進水閥門J106、純水閥門J108、濃水調節閥J109全開；反滲透組件X109的進水閥門J105、純水閥門J107、濃水調節閥J110全關；將高壓泵的回流調節閥J104全開，打開濃水回流閥門J117（J118），純水罐V103（V104）的純水閥門J112（J113）。

4.啟動高壓泵，緩慢關閉高壓泵的回流調節閥J104。調節進水閥J106（J105）使系統達到一定壓力，進行檢漏，直至不漏為止。然后進行正常運行。用濃水調節閥J109（J110）調節純水產量，從流量為0～30L/h測取5～6組數據，記錄膜進口壓力、溫度、濃水流量、淡水流量；同時分別讀取兩個電導率儀的電導率。

5.一個實驗結束時，緩慢調節濃水調節閥J109（J110）至全開，然后將高壓泵的回流調節閥J104全開，最后關閉高壓泵。

6.做加溫實驗時，將兩個原料儲罐的控溫儀表打開，控制加熱溫度分別為20℃、30℃、40℃，給原料儲罐的原料液加熱。然后重復步驟3。

7.啟動高壓泵，在高壓泵的回流調節閥J104全開狀態下加熱，直至溫度達到設定溫度值。然后繼續步驟4、5的操作。

8.實驗全部結束時，關閉所有的數字顯示儀表，切斷電源。