組合膜分離實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)書(shū)

1、組合膜分離乳清廢水實(shí)驗(yàn)?zāi)?錄 :一實(shí)驗(yàn)裝置圖 二裝置性能及特點(diǎn) 三教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求 1實(shí)驗(yàn)原理及目的 2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 3. 膜組件的清洗華東理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)中心2004 年 12 月一、實(shí)驗(yàn)裝置圖二、裝置性能及特點(diǎn)主要設(shè)備：原料儲(chǔ)槽：容積60升，材質(zhì)ABS工程塑料；Y型預(yù)過(guò)濾器：材質(zhì)工程塑料，進(jìn)口；增壓泵：型號(hào) FLUID-O-TECH 1533,進(jìn)口；壓力控制器：型號(hào)Fannio FNC-K20 ；2521型超濾、納濾、反滲透膜組件：美國(guó)原裝進(jìn)口，性能如下表（1）；膜殼：2521型不銹鋼，進(jìn)口；電導(dǎo)儀：型號(hào)CM-230，在線檢測(cè)儀；流量計(jì)：規(guī)格10 - 100L/H和1 7L/M，面

2、板式有機(jī)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 管道及閥門：進(jìn)口 UPVC不銹鋼電控柜及不銹鋼支架。表1膜組件性能膜組件規(guī)格純水誦量面積壓力范圍分離性能反滲透2521> 40 L/H1.1 m2w1.5Mpa除鹽率98%納濾M-N2521A3> 80 L/H1.1 m 2w1.0Mpa二價(jià)鹽除鹽率95%一價(jià)鹽除鹽率30-40%超濾M-U2521PES10> 100 L/H1.1m2O.5Mpa截留分子1萬(wàn),截留率90%設(shè)備特點(diǎn):本裝置是中試型實(shí)驗(yàn)裝置， 可作為膜分離擴(kuò)大工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)備， 也可作為小 批量生產(chǎn)設(shè)備使用。本裝置將超濾、納濾、反滲透三種卷式膜組件并聯(lián)于系統(tǒng)， 根據(jù)分離要求選擇不同膜組件單

3、獨(dú)使用， 適用范圍廣， 其組合膜過(guò)程可分離分子 量為幾十的離子物質(zhì)到分子量幾十萬(wàn)的蛋白質(zhì)分子。 本裝置設(shè)計(jì)緊湊，滯留量小， 系統(tǒng)允許壓力范圍為01.6MPa超過(guò)1.6Mpa時(shí)，為保護(hù)膜組件及設(shè)備，壓力保 護(hù)器會(huì)切斷輸液泵電流，實(shí)際操作時(shí)還應(yīng)參考相應(yīng)膜組件的操作壓力范圍。三、教學(xué)實(shí)驗(yàn)及要求 1實(shí)驗(yàn)原理及目的現(xiàn)代膜技術(shù)起源于 20世紀(jì)60年代，作為一門新型的分離、濃縮、提純技術(shù)， 發(fā)展十分迅速。 在膜分離過(guò)程中， 由于膜具有選擇透過(guò)性， 當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推 動(dòng)力(如壓力差、濃度差、電位差等) ，原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜，實(shí)現(xiàn)雙組 分或多組分的溶質(zhì)與溶劑的分離。 膜的透過(guò)性主要取決于膜材料的化學(xué)性質(zhì)

4、和分 離膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)， 因此，選用高選擇性、 高通量的膜和選擇性能良好的膜組件是 膜分離過(guò)程的關(guān)鍵。通常，膜材料按來(lái)源形態(tài)和結(jié)構(gòu)可分為天然膜和人工合成膜； 有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜；對(duì)稱膜、非對(duì)稱膜；復(fù)合膜和多層復(fù)合膜等。膜組件是一定面 積的膜以某種形式組裝成器件，常用的膜組件有管式、卷式、毛細(xì)管式、中空纖 維和板框式。膜分離技術(shù)具有高效節(jié)能、無(wú)相變、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)， 特別是它可在常溫下連續(xù)操作，對(duì)熱敏性物質(zhì)起保護(hù)作用，在食品加工、醫(yī)藥、 生化技術(shù)領(lǐng)域有其獨(dú)特的適用性。我國(guó)是大豆生產(chǎn)大國(guó)，按年產(chǎn) 8萬(wàn)噸大豆分離蛋白計(jì)算，每年廢棄大豆乳清 廢水達(dá) 400萬(wàn)噸，嚴(yán)重污染環(huán)境。乳清廢水中通常含有經(jīng)濟(jì)

5、價(jià)值很高的可溶性蛋 白和功能性大豆低聚糖，直接排放，導(dǎo)致了大量資源浪費(fèi)。本次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)組合 膜裝置綜合處理模擬乳清廢水， 濃縮、提取乳清蛋白和葡萄糖， 實(shí)現(xiàn)水資源回復(fù) 使用，對(duì)了解和熟悉膜分離技術(shù)具有重要意義。1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 學(xué)會(huì)獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，組織并實(shí)施；(2) 掌握評(píng)價(jià)膜性能的方法，確定各膜組件分離的適宜操作條件；(3) 掌握膜分離的基本原理及實(shí)驗(yàn)技能；1.2 實(shí)驗(yàn)原理膜分離過(guò)程的基本特征 :工業(yè)化應(yīng)用的膜分離包括微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(R0)、 滲透汽化(PV)和氣體分離(GS)等。根據(jù)不同的分離對(duì)象和要求，選用不同的 膜過(guò)程。超濾、納濾和反滲透都是以

6、壓力差為推動(dòng)力的液相膜分離方法，其三級(jí)組合膜過(guò)程可分離分子量幾十萬(wàn)的蛋白質(zhì)分子到分子量為幾十的離子物質(zhì)，圖1是各種膜對(duì)不同物質(zhì)的截留示意圖水圖1膜的截留示意圖A和B溶液濃縮B的溶液超濾（Ultrafiltration，簡(jiǎn)稱 UF）一般認(rèn)為超濾是篩孔分離過(guò)程，膜表面具有無(wú)數(shù)微孔，這些實(shí)際存在的孔眼 像篩子一樣，截留住了分子直徑大于孔徑的溶質(zhì)和顆粒，從而達(dá)到分離目的。膜表面的化學(xué)性質(zhì)也是影響超濾分離的重要因素。溶質(zhì)被截留有三種方式：在膜表 面機(jī)械截留（篩分）、在膜孔中停留（阻塞）、在膜表面及膜孔內(nèi)吸附（吸附）。反滲透（Reverse Osmosis，簡(jiǎn)稱 RO）反滲透膜通常認(rèn)為是表面致密的無(wú)孔膜，

7、只能通過(guò)溶劑（通常是水）而截留絕大多數(shù)溶質(zhì)，反滲透過(guò)程以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，實(shí)現(xiàn)液體混合物分離。反滲透膜的選擇透過(guò)性與組分在膜中的溶解、 吸附和擴(kuò)散有關(guān)， 還與膜的化學(xué)、物理性質(zhì)有密切關(guān)系。納濾（Nanofiltration，簡(jiǎn)稱 NF）納濾膜孔徑范圍在納米級(jí)，截留分子量數(shù)百的物質(zhì)，其分離性能介于反滲透 和超濾之間，其傳質(zhì)機(jī)理為溶解-擴(kuò)散方式，由于納濾膜大多為荷電膜，其對(duì)無(wú) 機(jī)鹽的分離行為不僅受化學(xué)勢(shì)梯度控制，同時(shí)也受電勢(shì)梯度影響。各膜分離過(guò)程主要差異如下表（1）。表1膜分離過(guò)程的基本特征膜過(guò)程膜類型傳遞機(jī)理操作壓力（一般工業(yè)）超濾非對(duì)稱膜篩分0.1 1 MPa納濾非對(duì)稱膜

8、或復(fù)合膜溶解-擴(kuò)散Donna效應(yīng)0.5 1.5MPa反滲透非對(duì)稱膜或復(fù)合膜溶解-擴(kuò)散優(yōu)先吸附-毛細(xì)管流動(dòng)1 10MPa膜分離性能的表示方法膜性能包括膜的物化穩(wěn)定性和膜的分離透過(guò)性。膜的分離透過(guò)性主要指分離 效率、滲透通量和通量衰減系數(shù)三方面，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 分離效率 對(duì)于溶液中蛋白質(zhì)分子、糖、鹽的脫除可用截留率 R表示，(Cp R= 1- x100%實(shí)際測(cè)定的是溶質(zhì)的表觀分離率，定義為，f Cp Re = 1=<100%(2)ECI Cb丿 滲透通量 通常用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量 Jw表示，VJw *S" 通量衰減系數(shù)膜的滲透通量由于過(guò)程的濃差極化、膜的壓密以及膜

9、孔堵塞等原因?qū)㈦S時(shí)間而衰減，可用下式表示，Jt 7 tm(4)膜分離實(shí)驗(yàn)中常采用原料的濃縮倍數(shù)表示膜分離效率，定義為N半Cb式(1)、(5)中，Cb、Cw Cp、Cd分別表示溶質(zhì)的主體溶液濃度、高壓側(cè)膜與溶液的界面濃度、透過(guò)液濃度、濃縮液濃度。式(3)中，V是膜的透過(guò)液體積,S是膜有效面積,t是運(yùn)行時(shí)間；Jw通常以 mL/(cm2 h)為單位。式 中，Jt、J1分別表示膜運(yùn)轉(zhuǎn)t小時(shí)和1小時(shí)后的滲透通量，t為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 間。式(5)中，N是膜分離前后溶質(zhì)的濃縮倍數(shù)。超濾、納濾、反滲透是壓力驅(qū)動(dòng)型膜，隨著壓力增大，膜滲透通量 J逐漸增 加，截留率R有所提高，但壓力越大，膜污染及濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重，膜滲

10、透通 量J衰減加快。超濾膜為有孔膜，通常用于分離大分子溶質(zhì)、膠體、乳液，一般 通量較高，溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)低，受濃差極化的影響較大；反滲透膜是無(wú)孔膜，截留 物質(zhì)大多為鹽類，因?yàn)橥康?、傳質(zhì)系數(shù)大，在使用過(guò)程中受濃差極化影響較??； 納濾膜則介于兩者之間。由于壓力增大，引起膜材質(zhì)壓密作用，膜清洗難度和操 作能耗均加大。因此，根據(jù)膜組件的分離性能，應(yīng)確定適宜的操作壓力。溫度也是影響膜分離性能的重要操作因素，隨著溫度升高，溶液擴(kuò)散增強(qiáng)， 膜的滲透速度增大，但受膜材質(zhì)影響，膜的允許溫度一般應(yīng)低于45C，在本實(shí)驗(yàn) 中，不考慮溫度因素。膜污染的防治：膜污染是指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子與膜產(chǎn)生物化作用

11、或 機(jī)械作用，在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，從而產(chǎn)生膜通 量下降、分離效率降低等不可逆變化。對(duì)于膜污染，一旦料液與膜接觸，膜污染 即開(kāi)始。因此，膜分離實(shí)驗(yàn)前后，必須對(duì)膜進(jìn)行徹底清洗，采用低壓（切.2Mpa）、 大通量清水清洗法；當(dāng)膜通量大幅下降或膜進(jìn)出口壓差為.2Mpa, 般清洗不能有效減輕污染，應(yīng)選用清洗劑或考慮更換膜。大豆蛋白對(duì)膜污染比較嚴(yán)重，根據(jù) 文獻(xiàn)，用NaO和蛋白酶清洗能有效減輕膜污染。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：膜組件性能測(cè)定超濾 配制2.5g/L大豆蛋白水溶液，在00.5MPs內(nèi)調(diào)節(jié)操作壓力，測(cè)定45 個(gè)不同壓力（膜進(jìn)口壓力）下截留率、滲透通量；在某一壓力下， 0

12、-120分鐘 內(nèi)測(cè)定45個(gè)不同時(shí)刻膜滲透通量；建立PR、PJ、Jt關(guān)系曲線，確定超 濾膜分離適宜的操作壓力Pi;納濾 配制5g/L葡萄糖溶液，在01.0MPs內(nèi)調(diào)節(jié)操作壓力，測(cè)定45個(gè)不同 壓力下納濾膜的截留率、滲透通量，建立 PR、PJ關(guān)系曲線，確定納濾膜 分離適宜的操作壓力P2；反滲透 配制5g/L氯化鈉溶液，在01.5MPs內(nèi)調(diào)節(jié)操作壓力，測(cè)定45個(gè)不同 壓力下反滲透膜的截留率、滲透通量，建立 PR、PJ關(guān)系曲線，確定反滲 透分離時(shí)適宜的操作壓力P3。乳清廢水濃縮分離配制乳清廢水約50L （2.5g/L大豆蛋白，5g/L葡萄糖，5g/L氯化鈉），加入儲(chǔ) 槽。調(diào)節(jié)操作壓力R,通過(guò)超濾膜濃縮

13、分離乳清廢水，測(cè)定一級(jí)膜分離后大 豆蛋白濃縮倍數(shù)，超濾透過(guò)液用于納濾分離。調(diào)節(jié)操作壓力P2,通過(guò)納濾膜分離濃縮葡萄糖，測(cè)定其濃縮倍數(shù)，納濾透過(guò)液用于反滲透分離。調(diào)節(jié)操作 壓力P3,通過(guò)反滲透脫鹽，測(cè)定可回收的凈水體積。實(shí)驗(yàn)步驟:操作前準(zhǔn)備1 對(duì)儲(chǔ)槽內(nèi)壁進(jìn)行清洗，并對(duì)儲(chǔ)槽下 Y型過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行清洗； 2在儲(chǔ)槽內(nèi)注入一定量的清水， 清洗系統(tǒng)及膜組件保護(hù)液， 時(shí)間為 10分鐘； 3膜組件首次使用，用低壓清水（三0.2MPS）清洗，時(shí)間為2030分鐘， 去除其中的防腐液；4待處理液需微過(guò)濾處理，去除機(jī)械雜質(zhì)，防止損壞膜組件，若在儲(chǔ)槽中 配制原料液，務(wù)必保證溶液全溶，防止未溶顆粒損壞膜組件；操作步驟1 關(guān)閉

14、系統(tǒng)排空閥， 打開(kāi)待用膜組件的料液進(jìn)出口閥 （其余膜組件閥關(guān)閉） ， 打開(kāi)泵回路閥、濃液旁路閥、濃液流量閥、透過(guò)液閥、濃縮液 閥；2將待處理料液加入儲(chǔ)槽；3接通電源，開(kāi)啟輸液增壓泵； 4料液正常循環(huán)后（注意排氣） ，逐步關(guān)閉泵回路閥 和濃液旁路閥 ；5.逐步調(diào)節(jié)濃液流量閥 ，在膜組件的允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)操作壓力到所需值：（a）若進(jìn)行膜組件性能測(cè)定，為保證原料液濃度不變，關(guān)閉濃縮液出口閥，使?jié)饪s液返回儲(chǔ)槽，同時(shí)用橡皮軟管將透過(guò)液返回到儲(chǔ)槽中；穩(wěn) 定操作5分鐘后取樣分析，取30ml透過(guò)液分析溶質(zhì)濃度、記錄透過(guò)液流量； 取樣后，繼續(xù)調(diào)節(jié)濃液流量閥，測(cè)定下一個(gè)操作壓力時(shí)透過(guò)液濃度及 流量，或者在該操作壓力

15、下測(cè)定下一個(gè)時(shí)刻透過(guò)液流量；（b）若進(jìn)行乳清廢水濃縮分離，打開(kāi)閥 、，分別收集透過(guò)液和濃縮 液，透過(guò)液用于下一級(jí)膜分離實(shí)驗(yàn)，濃縮液可作為產(chǎn)品，穩(wěn)定操作后可 取樣分析，取30ml原料、30ml濃縮液分析溶質(zhì)濃度，為防止增壓泵空轉(zhuǎn)， 當(dāng)儲(chǔ)槽中液位極低時(shí)可停止實(shí)驗(yàn)。6關(guān)閉時(shí)，依次打開(kāi)閥、，使系統(tǒng)壓力小于0.2Mpa,關(guān)閉輸液泵； 7.打開(kāi)系統(tǒng)排空閥，排出儲(chǔ)槽、管路、膜組件內(nèi)殘余料液；8關(guān)閉系統(tǒng)排空閥，按14操作步驟，用低壓清水（三0.2MPa）清洗儲(chǔ)槽、 管路及膜組件，直至濃縮液、透過(guò)液澄清透明為止，可采用分析手段監(jiān) 測(cè)膜組件出料口溶質(zhì)含量接近于零；9. 打開(kāi)系統(tǒng)排空閥，排出儲(chǔ)槽、管路、膜組件內(nèi)清洗

16、料液；10. 重復(fù)上述 19操作步驟，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。注意及維護(hù)事項(xiàng) :1 本裝置設(shè)置壓力控制器，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于1.6MPa時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷輸液泵 電流并停機(jī)；2儲(chǔ)槽內(nèi)料液不要過(guò)少， 同時(shí)保持儲(chǔ)液槽內(nèi)壁清潔， 較長(zhǎng)時(shí)間（10 天以上） 停用時(shí)，在組件中充入 1甲醛水溶液作為保護(hù)液，防止系統(tǒng)生菌，并 保持膜組件的濕潤(rùn)（保護(hù)液主要用于膜組件內(nèi)濃縮液側(cè)） ；3膜組件為耗材， 液體處理后需進(jìn)行清洗處理 （包括純水清洗、藥劑清洗）， 當(dāng)膜組件通量大幅降低時(shí)應(yīng)考慮更換；4待處理料液需預(yù)過(guò)濾，防止大顆粒機(jī)械雜質(zhì)損壞輸液泵或膜組件，膜組 件進(jìn)料最高自由氯濃度為 0.1ppm；5每種膜組件需單獨(dú)使用，使用

17、完畢后如需使用其他膜，必須將系統(tǒng)殘余 料液放空，并進(jìn)行徹底清洗，以免料液干擾；6增壓泵啟動(dòng)時(shí)，請(qǐng)注意泵前管道需充滿液體，以防損壞，如發(fā)生上述現(xiàn) 象，請(qǐng)立即切斷電源，短時(shí)間內(nèi)空轉(zhuǎn)，不一定會(huì)損壞泵。7管道如有泄漏，請(qǐng)立即切斷電源和進(jìn)料閥，待更換管件或用專用膠水粘 結(jié)后（膠水粘結(jié)后需固化 4 小時(shí)）方可使用。3 膜組件的清洗1每批操作完成后， 清洗前， 打開(kāi)裝置所有閥門及排污閥門， 使殘余料液排空。2用純凈水清洗保養(yǎng)直至流出液 （包括透過(guò)液和濃縮液 ） 澄清透明為止，可配合 檢測(cè)手段監(jiān)測(cè)流出液濃度是否接近零。3經(jīng)沖洗干凈的膜組件不可再干燥，如長(zhǎng)期不用，應(yīng)放在甲醛溶液保存。當(dāng)透 過(guò)液流量明顯下降時(shí)，可配制清洗藥水進(jìn)行清洗保養(yǎng)。4一般清洗的過(guò)程為先純凈水、后清洗藥水、最后再用純凈水，之后可進(jìn)行料 液處理。若清洗藥水處理后透過(guò)液流量仍不能有所恢復(fù)， 請(qǐng)考慮更換膜組件。 清洗液的配制1超濾組件清洗液： 無(wú)機(jī)酸、六偏磷酸鈉、 聚丙烯酸酯、乙烯二胺四乙酸 （EDTA） 清洗劑是用來(lái)清洗鹽沉淀和無(wú)機(jī)垢的。 氫氧化鈉清洗劑， 有時(shí)添加次氯酸鹽， 對(duì)于溶解脂肪和蛋白質(zhì)十分有效。蛋白酶和淀粉酶等的酶清洗劑適用于