膜分離技術(shù)在環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

熊鷹 裘文慧 劉俊國(guó)

摘?要：膜分離技術(shù)在水處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中少有設(shè)計(jì)膜分離技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。本文將膜分離技術(shù)引入環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了超濾和納濾膜分離實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證性和開放性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能充分掌握膜分離在水處理中的應(yīng)用原理，創(chuàng)新能力得到鍛煉和提高，為以后的工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：膜分離;超濾;納濾

中圖分類號(hào)：G642??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application?of?Membrane?Separation?Technology

in?Experimental?Teaching?of?Environmental?Engineering

Xiong?Ying?Qiu?Wenhui?Liu?Junguo

School?of?Environmental?Science?and?Technology，Southern?University?of?Science?and?Technology

GuangdongShenzhen?518055

Abstract：Membrane?separation?technology?is?widely?used?in?water?and?waste?water?treatment，but?few?schools?have?membrane?separation?experiments?in?experimental?teaching?of?environmental?engineering.In?this?paper，membrane?separation?technology?was?introduced?to?the?experimental?teaching?of?environmental?engineering.The?verification?and?open?experiments?such?as?ultrafiltration?and?nanofiltration?are?designed.Through?these?experimental?designs，students?can?fully?grasp?the?application?principle?of?membrane?separation?in?water?and?waste?water?treatment，the?innovation?ability?to?be?exercised?and?improved，and?lay?a?foundation?for?the?future?engineering?practice.

Keywords：membrane?separation;Ultrafiltration;Nanofiltration

一、概述

膜分離技術(shù)是以具有分子篩分功能的選擇性半透膜為核心，基于滲透驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離與純化?；谄涔に嚭?jiǎn)單、易操作、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，膜分離技術(shù)近年來(lái)在水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如雙膜法處理焦化廢水，膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)在市政污水處理及中水回用的應(yīng)用，超濾技術(shù)在飲用水廠的應(yīng)用，電滲析處理含鹽廢水以及反滲透和正滲透技術(shù)在海水淡化方面的應(yīng)用等[13]。

雖然膜技術(shù)在水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是膜分離技術(shù)屬于化工分離領(lǐng)域，不屬于傳統(tǒng)的水處理技術(shù)，因此大多數(shù)高校環(huán)境工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并沒(méi)有設(shè)計(jì)膜分離技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。由此，造成很多環(huán)境工程專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生在實(shí)際工作當(dāng)中對(duì)于膜分離技術(shù)比較陌生。為解決這一問(wèn)題，給學(xué)生補(bǔ)上短板，作者在環(huán)境工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了多個(gè)膜分離實(shí)驗(yàn)，不僅加深了學(xué)生對(duì)膜分離技術(shù)的知識(shí)掌握，而且提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型工科人才提供了實(shí)際操作的支持。

二、膜分離技術(shù)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

在膜分離技術(shù)中，衡量膜技術(shù)性能的參數(shù)主要有溶質(zhì)的截留率（R）和透過(guò)液的通量（J）。

（一）膜的溶質(zhì)截留率（R）

膜的溶質(zhì)截留率表示膜對(duì)溶液中不同溶質(zhì)分子的分離和阻截能力。

R=C0-CpC0×100%（1）

在這個(gè)公式中，R—溶質(zhì)的截留率;

C0—進(jìn)料液中溶質(zhì)濃度，mol/L;

Cp—透過(guò)液中溶質(zhì)濃度，mol/L。

同一種膜在分離不同的溶質(zhì)時(shí)，相同的運(yùn)行條件下，膜對(duì)溶質(zhì)的截留率不同。影響截留率的主要因素是膜的分離孔徑和溶質(zhì)分子量大小，運(yùn)行壓力和溫度。

（二）膜的溶液通量（J）

膜對(duì)溶液分離過(guò)程中，溶液通過(guò)錯(cuò)流過(guò)濾方式分離純化。溶液分為兩部分，透過(guò)膜的部分為透過(guò)液，被膜阻隔回流到原料桶的部分為濃縮液。單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)單位面積膜的溶液體積即為膜通量J。

J=VPS×t（2）

式中，J—膜通量，L/（m2·h）;

Vp—透過(guò)液的體積，L;

S—膜面積，m2;

t—設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，h。

膜通量的大小決定膜分離設(shè)備的規(guī)模，影響膜通量的因素有運(yùn)行溫度，運(yùn)行壓力等。

三、膜分離技術(shù)教學(xué)實(shí)例

膜分離技術(shù)的原理如下圖。在進(jìn)行本科生環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)不同的原水，分離目的，水中污染物的種類等的不同，選擇不同的膜分離技術(shù)和設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為綜合性或開放性實(shí)驗(yàn)。對(duì)于本科生實(shí)驗(yàn)，在掌握原理的基礎(chǔ)上，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，給出基本的實(shí)驗(yàn)步驟，要求學(xué)生自行選定實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)因素，最終完成實(shí)驗(yàn)。主要考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的掌握、相關(guān)知識(shí)理解，以及靈活應(yīng)變能力。

在課程考核方面，總成績(jī)主要由平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告構(gòu)成，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告占60%。主要考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式，實(shí)驗(yàn)方案的完成性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論，重點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的分析與討論。通過(guò)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

膜分離原理圖

（一）超濾膜對(duì)不同分子量（MWCO）物質(zhì)的分離與純化

超濾的分離原理為物理篩分，水中大分子溶質(zhì)和微粒被濾膜截留，透過(guò)膜的就是潔凈的水。彭海珠等[4]選用不同的超濾膜去除PTA精制廢水中剩余少量懸浮物以及溶于水中的大分子化合物和膠體，結(jié)果顯示截留分子量1000和5000的超濾膜對(duì)廢水COD的去除率分別為65%和25%。張啟偉等[5]研究了不同膜材料及不同截留分子量的超濾膜對(duì)二級(jí)出水中污染物的去除。二級(jí)出水經(jīng)超濾后，50k的超濾膜可以有效去除腐殖酸類物質(zhì)，而100k無(wú)法去除，說(shuō)明原水中腐殖酸類物質(zhì)大小在50～100k范圍內(nèi)。對(duì)可溶性有機(jī)物的去除，50k的超濾膜比100k的去除效率高約10.0%。

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獬瑸V分離的基本原理，掌握超濾設(shè)備的基本操作，膜組件的選型。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：平板膜小試設(shè)備，紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：超濾膜對(duì)大分子的截留實(shí)驗(yàn)。

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：實(shí)驗(yàn)選用2種切割分子量（10000，30000）的聚醚砜（PES）材質(zhì)的平板超濾膜，選取不同分子量的聚乙二醇（PEG20000和PEG6000，分子量分別為20000和6000）作為溶質(zhì)來(lái)測(cè)試膜的截留性能。采用Dragendoff試劑為顯色劑，通過(guò)PEG與顯色劑的顏色反應(yīng)，利用分光光度法間接測(cè)定PEG濃度。配制5000mg/L的PEG溶液，作為測(cè)試液放入恒溫儲(chǔ)液槽中。采用錯(cuò)流過(guò)濾方式運(yùn)行膜測(cè)試裝置，調(diào)節(jié)測(cè)試溫度為25℃±0.5℃，緩慢調(diào)節(jié)跨膜壓差為0.10MPa，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后10min收集透析液和進(jìn)料液。測(cè)量進(jìn)料液和透析液中PEG濃度，從而計(jì)算出膜對(duì)PEG的截留率。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同的超濾膜對(duì)不同分子量的截留率不同。切割分子量為10000的PES膜對(duì)PES20000和PES6000的截留率分別為98%和80%，而截留分子量30000的PES膜對(duì)PES20000和PES6000的截留率分別為18%和0。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能深刻理解膜的切割分子量和截留率的意義，并在實(shí)際中學(xué)會(huì)根據(jù)水中污染物的分子量來(lái)選擇不同的膜對(duì)去除污染物，從而達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。

（二）超濾與混凝工藝對(duì)濁度的去除

混凝是傳統(tǒng)水處理技術(shù)，主要通過(guò)向水中投加混凝劑，使得水中污染物發(fā)生凝聚沉淀，使得出水濁度或COD降低。但是混凝工藝在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行中存在藥物投加過(guò)量，且產(chǎn)生的污泥量過(guò)大，污泥為危險(xiǎn)廢物增加了企業(yè)的運(yùn)行成本。超濾出水穩(wěn)定，且產(chǎn)泥量很少，所以在實(shí)際工程中對(duì)懸浮物的去除，越來(lái)越多的采用超濾技術(shù)[6]。

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)比超濾和混凝技術(shù)，掌握超濾設(shè)備的基本操作。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：中空纖維膜小試設(shè)備，濁度計(jì)。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：超濾與絮凝工藝對(duì)比。

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：本實(shí)驗(yàn)為開放性實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生制訂實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)比兩種水處理工藝的差別，充分掌握兩種工藝的原理。用硅藻土配制3種濁度的原水（20，100，200NTU），選用中空纖維膜組件進(jìn)行過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，同時(shí)選用聚合氯化鋁（PAC）進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩種方法對(duì)濁度去除的效果。

膜過(guò)濾實(shí)驗(yàn)：采用外壓式PVDF中空纖維膜組件，膜孔徑為0.1μm，過(guò)濾面積為0.2m2，測(cè)試溫度為25℃±05℃，緩慢調(diào)節(jié)跨膜壓差為0.10MPa，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后10min收集透析液，分別測(cè)量原液和透析液的濁度。

混凝實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)原水pH為5～10，添加一定量的PAC，考察不同的pH或不同PAC添加量的情況下，混凝法對(duì)原水濁度的去除效果。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在原水濁度改變的情況下，超濾工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定，能始終保持濁度小于1NTU，去除率達(dá)98%以上。對(duì)于混凝法，pH和PAC添加量不同，會(huì)影響濁度的去除率。

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅能夠了解各影響因素對(duì)混凝效果的影響，學(xué)會(huì)優(yōu)化反應(yīng)條件，且學(xué)會(huì)根據(jù)不同水質(zhì)條件和出水要求，選擇不同的處理工藝。

（三）納濾膜對(duì)一價(jià)及二價(jià)鹽離子的分離

納濾截留分子量介于反滲透和超濾之間，由于膜表面常帶有電荷，其對(duì)無(wú)機(jī)鹽離子有不同選擇透過(guò)性，其主要分離原理是篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)。納濾分離技術(shù)常用于去除廢水中的無(wú)機(jī)離子，如長(zhǎng)沙力元新材料股份有限公司采用3級(jí)納濾技術(shù)處理電鍍鎳漂洗水，處理后水回用率大于98%，鎳的回收率達(dá)到97%以上[7]。

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饧{濾膜分離的基本原理，掌握納濾設(shè)備的基本操作，膜組件選型。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：卷式膜小試設(shè)備，電導(dǎo)率儀。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：納濾技術(shù)去除水中離子。

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：采用美國(guó)GE公司DL納濾膜（膜的有效面積為0.23m2），選用硫酸鎂和氯化鈉兩種無(wú)機(jī)鹽作為實(shí)驗(yàn)試劑。準(zhǔn)確稱取一定量的鹽配成一定濃度梯度的鹽溶液（0.0、0.2、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5g/L），測(cè)其電導(dǎo)率，繪制電導(dǎo)率與鹽濃度關(guān)系曲線。配制2g/L濃度的鹽溶液，放入膜分離小試設(shè)備的料桶中，啟動(dòng)高壓泵，調(diào)節(jié)進(jìn)膜壓力為0.8MPa，開始實(shí)驗(yàn)。隨時(shí)間的變化，隔段時(shí)間取樣，分別測(cè)定濃縮液和透析液的電導(dǎo)率，根據(jù)電導(dǎo)率與鹽濃度的關(guān)系曲線，得到透析液的鹽濃度，計(jì)算出膜的瞬時(shí)截留率，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算膜的平均截留率。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，DL膜對(duì)二價(jià)鹽MgSO4的截留率為95%～96%，對(duì)一價(jià)鹽NaCL的截留率為25%～30%，說(shuō)明該DL膜可以截留二價(jià)以上的離子，而大部分的一價(jià)離子可以直接透過(guò)膜，能實(shí)現(xiàn)一價(jià)離子與二價(jià)離子的有效分離。

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能直觀了解納濾分離的原理與過(guò)程，學(xué)會(huì)納濾膜的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，如苦咸水淡化，含金屬?gòu)U水處理與資源化等，可采用納濾膜分離技術(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)污水處理的目的。

結(jié)語(yǔ)

將膜分離技術(shù)引入環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)中，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)操作與理論知識(shí)相結(jié)合，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力，為環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生將來(lái)的科研工作和走入工業(yè)界之路奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：南方科技大學(xué)2019年高等教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目“環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)核心實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)”

作者簡(jiǎn)介：熊鷹（1976—?），女，漢族，湖北鐘祥人，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：環(huán)境工程專業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)。