纳滤中试实验

一、实验目的

1、 了解纳滤的原理及中试实验装置构造 2、 掌握盐分浓度的测定方法 3、掌握测定化学需氧量的原理和技术

二、实验原理

膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、 超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别，图1简单示意了四种不同的膜分离过程（箭头反射表示该物质无法透过膜而被截留）：

图1 不同的膜分离过程

图2 膜分离操作基本工艺流程

膜分离技术是指利用选择性透过膜作为分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯目的的一种高效的分离方法。纳滤膜一般都为荷电膜，对于各种溶质的分离机理可以分为膜的溶解和扩散作用，膜的筛分效应，膜的道南效应，以及膜的筛分和道南综合效应等。对于非极性溶质通过纳滤膜时的截留率以及分子量相差较大的溶质分离主要取决于筛分效应（Sieving effect）或尺寸效应（Size effect）。膜分离的基本工艺原理如图2所示：在过滤过程中料液通过泵的加压，以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不能透过膜而流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液。故膜系统都有两个出口， 一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。

实验中所用的纳滤膜是一种截留分子量为250的复合膜，实验过程中，料液中的有机物（平均分子量为1000）被纳滤膜截留不能透过膜而流回料罐中，小于膜截留分子量的盐分（氯化钠） 透过膜形成透析液，从而实现盐分和有机物的分离。用化学需氧量的值来间接表示有机物的浓度：在强酸性溶液中，准确加入过量的重铬酸钾标准溶液，加热回流一定时间，将水样中还原性物质（主要是有机物）氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液回滴，根据消耗重铬酸钾标准溶液的量计算水样化学需氧量的值。水的电导率与其所含无机酸、碱、盐的量有一定关系。当它们的浓度较低时，电导率随浓度的增大而增加，因此，用电导率值来测定透析液中离子的总浓度或含盐量。

三、实验仪器设备及试剂

仪器设备只要有：

20膜系统（如图3）、 Multi340i手提式多参数测试仪（德国WTW公司）、250mL全玻璃回流装置、加热装置(电炉)、 50mL酸式滴定管、锥形瓶、移液管、容量瓶等。 实验试剂主要有：

聚乙二醇1000、氯化钠、

重铬酸钾标准溶液(c1/6K2Cr2O7=0.2500mol/L) 、 试亚铁灵指示液、

硫酸亚铁铵标准溶液[c(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O≈0.1mol/L]、 硫酸-硫酸银溶液、硫酸汞。

图3 20膜系统

四、实验步骤

1、检查料液的输出、浓缩液的输出、透析液的输出管路，确保所有管道结合紧密而无渗漏，按工艺要求检查阀门的应开应关位置是否正确。

2、将30L水倒入料罐中，打开设备总电源，浓缩液出口调节阀全开，启动高压泵，缓慢关闭浓缩液出口调压阀，使系统达到设定的进膜压力。

3、缓慢调节调压阀使进膜压力分别为0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa、2.0MPa、2.5MPa，稳定1min后，用体积法测量并记录透析液的流量Q（测三次取平均值）用以计算膜的透水通量JW，并绘制膜的透水通量JW于操作压力△P的关系曲线。测试结束后关闭高压泵，打开料液输出阀将料液罐中剩余的水全部排出。

4、将30L含有氯化钠（2g/L）和聚乙二醇1000（2g/L）的水倒入料罐中，浓缩液出口调节阀全开，启动高压泵，缓慢关闭浓缩液出口调压阀，使系统达到设定的进膜压力2.0MPa，并开始计时。在运行时间分别为1min、3min、5min、10min、15min时同时在浓缩液和透析液出口各取样500mL。 5、关闭高压泵，打开料液输出阀将料液罐中剩余料液全部排出。

6、用去离子水对系统进行清洗：首先需将系统内残留料液用去离子水顶出系统，然后将系统转化到清洗的阀门状态，即浓缩液和渗透液均回罐循环，启动高压泵，将压力控制设定值调到6.9bar，运行15min，关闭高压泵，打开料液输出阀将料液罐中剩余的水全部排出。

7、氯化钠浓度与电导率关系曲线的制作：分别准确称取一定量的氯化钠配成浓度为0.0g/L、0.2g/L、0.5g/L、0.8g/L、1.0g/L、1.5g/L、2.0g/L、2.5g/L的溶液100mL，测其电导率值，绘制电导率与氯化钠浓度关系曲线。

8、用Multi340i手提式多参数测试仪分别测定并记录所取样品的电导率值，根据电导率与氯化钠浓度关系曲线求出所取样品的氯化钠浓度，计算盐的透过率T，绘制透析液和浓缩液中盐浓度对时间的关系曲线。

9、加入0.4g硫酸汞于回流玻璃试管中，分别取20mL不同运行时间的浓缩液作为水样，准确加入10.00mL的重铬酸钾标准溶液及数粒小玻璃珠或沸石，慢慢加入30mL硫酸-硫酸银溶液，轻轻摇动使溶液混匀，链接磨口回流冷凝管，加热回流2h（自沸腾时计时）。 10、冷却后（关电后约5min）用90mL水冲洗冷凝管壁，取下冷凝管。

11、溶液再度冷却后，加3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量。

12、测定水样的同时，取20.00mL二次蒸馏水，按同样操作步骤作空白实验。记录滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量。

13、计算浓缩液中各时间点的COD值，并绘制浓缩液中有机物浓度（COD值）对时间的关系曲线。

五、数据处理

（1） 纯水透过通量JW (L · m-2 · h-1)：

JWVtA （1）

式中，△V表示一定时间内的透过的水的体积L； t表示操作时间（h）；A表示膜面积（A=1.77m2）。 （2） 盐的透过率T：

TCsal,PtC （2）

sal,tf式中，Csalt, P和Csalt, f 分别表示透过液和料液中氯化钠的浓度。 （3） 化学需氧量的计算： CODc81000CrO2, mgLV0V1V式中，c为硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/L； V0为滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液用量，mL； V1为滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液用量，mL； V为水样体积，mL； 8为氧（1/2O）摩尔质量，g/mol。 六、思考题 1、膜分离技术同其它分离技术相比，它具有哪些特点？ 2、膜分离技术可以用于哪些领域？ 3、纳滤膜与其他膜的区别主要是什么？ 4、实验过程中应该注意的事项？

3） （