水平与垂直PES中空纤维超滤膜组件分离性能的研究

一、实验目的1. 了解中空纤维超滤膜的基本结构和工作原理；2. 掌握中空纤维超滤膜的实验操作技术；3. 通过实验测试，分析中空纤维超滤膜的分离性能和抗污染性能；4. 探讨中空纤维超滤膜在废水处理、医药、食品等领域的应用前景。

二、实验原理中空纤维超滤膜是一种具有微孔结构的薄膜，孔径一般在0.01-0.1μm之间。

在一定的压力作用下，溶液中的小分子物质可以通过膜孔，而大分子物质则被截留在膜表面。

中空纤维超滤膜具有分离效率高、操作简便、能耗低等优点。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：自来水、标准溶液（如葡萄糖、盐等）、活性炭、絮凝剂、废水样品等；2. 实验仪器：中空纤维超滤膜组件、高压泵、流量计、紫外-可见分光光度计、电导率仪、滤液收集瓶等。

四、实验方法1. 准备实验装置：将中空纤维超滤膜组件安装在实验装置上，连接高压泵、流量计等仪器；2. 标准溶液测试：分别配制一定浓度的葡萄糖、盐等标准溶液，进行超滤实验，记录滤液浓度和透过率；3. 自来水测试：将自来水通过超滤膜进行实验，记录滤液浓度和透过率；4. 废水测试：取一定量的废水样品，经过絮凝、沉淀等预处理后，通过超滤膜进行实验，记录滤液浓度和透过率；5. 活性炭和絮凝剂测试：将活性炭和絮凝剂加入废水中，进行预处理，然后通过超滤膜进行实验，记录滤液浓度和透过率；6. 抗污染性能测试：在超滤膜运行一段时间后，模拟实际应用场景，对膜进行污染，然后进行清洗和恢复性能实验，记录清洗前后滤液浓度和透过率。

五、实验结果与分析1. 标准溶液测试结果：通过实验，发现中空纤维超滤膜对葡萄糖、盐等标准溶液具有较好的分离效果，透过率较高；2. 自来水测试结果：自来水经过超滤膜处理后，滤液浓度明显降低，表明中空纤维超滤膜对自来水中的悬浮物、胶体等杂质有较好的去除效果；3. 废水测试结果：废水经过预处理和超滤膜处理后，滤液浓度明显降低，表明中空纤维超滤膜在废水处理中具有较好的应用前景；4. 活性炭和絮凝剂测试结果：在预处理中加入活性炭和絮凝剂，可以进一步提高废水处理效果，降低膜污染；5. 抗污染性能测试结果：经过污染和清洗后，膜的性能得到恢复，表明中空纤维超滤膜具有良好的抗污染性能。

中空纤维超滤膜原理
中空纤维超滤膜是一种常用的膜分离技术，其原理是利用特殊的中空纤维膜材料来实现物质的分离。

中空纤维超滤膜是一种类似于过滤作用的薄膜，由多个微小的中空纤维组成。

这些中空纤维的直径通常为几至几十微米，内外壁之间形成一个孔隙的结构。

这种中空纤维的孔隙大小通常在几纳米到几十纳米之间，可以根据需要进行调整。

当污水或混合物通过中空纤维超滤膜时，由于膜表面存在一定的压力差，液体会从高压侧通过纤维孔隙进入中空纤维内部，而大分子、悬浮物、胶体颗粒、细菌、病毒等物质则被阻挡在膜表面，形成一个过滤层。

这样，物质的分离就实现了。

中空纤维超滤膜的分离机制主要有三种：体积剔除、筛分和吸附。

体积剔除是指通过孔隙大小的控制，将大分子物质和颗粒固体剔除，而保留溶剂和小分子物质。

筛分是指根据溶质的大小选择性地分离物质，通过膜孔隙尺寸的调节，可以使溶质分子穿透或被阻挡。

吸附是指利用膜表面的吸附作用，将一些特定的物质通过吸附而分离出来。

中空纤维超滤膜具有操作简单、适用于多种污水处理和物质分离等优点。

在水处理、饮用水净化、海水淡化、废水处理、食品加工等领域有广泛的应用。

它可以有效去除悬浮物、胶体物质、细菌、病毒等微小颗粒，具有较高的分离效率和水通量。

２ ． ２ 超 滤膜—— 聚醚砜 中空纤维超滤膜的制备
本实验采用干喷湿纺法纺制聚醚砜 中空纤维超滤膜 ，喷丝板形状为单 孔双环套 管型 ， 板 中部 有填充 液通入 以使纤 维有效形成 中空 ， 并在一定程度上可调节 中空纤维膜 的形态结构和聚集态结构 ］ 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ９—１ ２
聚醚砜 （ Ｐ Ｅ Ｓ ） ： 分子量 ３ ０ ０ ０ Ｐ ， 美 国苏威 （ 上海 ） 有 限公 司 ； 聚乙二醇 一 ４ ０ ０ （ Ｐ Ｅ Ｇ一 ４ ０ ０ ） ： 美 国陶氏化学公 司 ； 聚 乙烯 比咯烷酮 （ Ｐ Ｖ Ｐ ） ： Ｋ ｇ Ｏ ， 张家港科悦精 细化工 有限公 司 ； 二 甲基 乙酰胺 （ Ｄ Ｍ Ａ Ｃ ） ： 美 国杜 邦 中国集 团有 限公 司 ：
无水乙醇 ： Ａ Ｒ， 天津市红岩化学试剂厂 ； ９ ５ ％ 乙醇 ： Ａ Ｒ， 天津 市永大化 学试剂有 限公 司。中空纤 维膜纺 丝机 １ 套：
自行 设计制造 ； 电子单纱强力机 １台 ： 常州市第 一纺织 设备有 限公 司； 水 通量检 测仪 １台 ： 自行设 计制造 ； 泡点检 测仪 １台 ： 自行设 计制造 ； Ｎ Ｄ Ｊ 一 １型旋 转粘度计 １台 ： 上海精纯仪 器设备有 限公 司 ； 数显恒 温水浴锅 ： 上海苏达 实 验仪 器有限公司 ； 恒温干燥箱 ： 上海一恒科技有限公司 。
因素对成膜性 能的影响规律 ， 分析并确定 了制备 Ｐ Ｅ Ｓ中空纤维超 滤膜 的 最佳 实验 条件 为： 喷 丝头距 离水 面的高度
２ ０ ｃ ｍ， 凝 固浴 温 度 ３ １ ８ Ｋ一 ３ ２ ８ Ｋ， Ｐ Ｅ Ｓ浓 度 为 １ ８ ％。
关键词 ： 聚醚砜 ； 超 滤膜 ； 中空纤维膜 ； 水处理技 术 ； 膜分 离技术

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。

010100%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。