膜分離技術在環境工程實驗教學中的應用

熊鷹 裘文慧 劉俊國

摘?要：膜分離技術在水處理領域廣泛應用，但在環境工程專業實驗教學中少有設計膜分離技術相關的實驗。本文將膜分離技術引入環境工程專業實驗教學中，設計了超濾和納濾膜分離實驗等驗證性和開放性實驗。通過這些實驗設計，讓學生能充分掌握膜分離在水處理中的應用原理，創新能力得到鍛煉和提高，為以后的工程實踐打下基礎。

關鍵詞：膜分離;超濾;納濾

中圖分類號：G642??文獻標識碼：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，基于滲透驅動，實現物質的分離與純化?；谄涔に嚭唵?、易操作、出水水質穩定等優點，膜分離技術近年來在水處理領域得到了廣泛的應用，如雙膜法處理焦化廢水，膜生物反應器（MBR）技術在市政污水處理及中水回用的應用，超濾技術在飲用水廠的應用，電滲析處理含鹽廢水以及反滲透和正滲透技術在海水淡化方面的應用等[13]。

雖然膜技術在水處理領域應用廣泛，但是膜分離技術屬于化工分離領域，不屬于傳統的水處理技術，因此大多數高校環境工程專業本科實驗教學中，并沒有設計膜分離技術相關的實驗內容。由此，造成很多環境工程專業畢業的學生在實際工作當中對于膜分離技術比較陌生。為解決這一問題，給學生補上短板，作者在環境工程專業本科實驗教學中，設計了多個膜分離實驗，不僅加深了學生對膜分離技術的知識掌握，而且提高了學生的動手能力，為培養創新型工科人才提供了實際操作的支持。

二、膜分離技術相關技術參數

在膜分離技術中，衡量膜技術性能的參數主要有溶質的截留率（R）和透過液的通量（J）。

（一）膜的溶質截留率（R）

膜的溶質截留率表示膜對溶液中不同溶質分子的分離和阻截能力。

R=C0-CpC0×100%（1）

在這個公式中，R—溶質的截留率;

C0—進料液中溶質濃度，mol/L;

Cp—透過液中溶質濃度，mol/L。

同一種膜在分離不同的溶質時，相同的運行條件下，膜對溶質的截留率不同。影響截留率的主要因素是膜的分離孔徑和溶質分子量大小，運行壓力和溫度。

（二）膜的溶液通量（J）

膜對溶液分離過程中，溶液通過錯流過濾方式分離純化。溶液分為兩部分，透過膜的部分為透過液，被膜阻隔回流到原料桶的部分為濃縮液。單位時間內透過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—透過液的體積，L;

S—膜面積，m2;

t—設備運行時間，h。

膜通量的大小決定膜分離設備的規模，影響膜通量的因素有運行溫度，運行壓力等。

三、膜分離技術教學實例

膜分離技術的原理如下圖。在進行本科生環境工程專業實驗設計時，可以根據不同的原水，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和設備，將實驗設計為綜合性或開放性實驗。對于本科生實驗，在掌握原理的基礎上，提出實驗目的和要求，給出基本的實驗步驟，要求學生自行選定實驗條件和實驗因素，最終完成實驗。主要考查學生對實驗原理的掌握、相關知識理解，以及靈活應變能力。

在課程考核方面，總成績主要由平時成績和實驗報告構成，其中實驗報告占60%。主要考查學生實驗報告的格式，實驗方案的完成性，實驗數據處理與分析，實驗結果討論，重點在于學生對數據的分析與討論。通過專業實驗教學，激發學生的學習興趣，同時培養學生的科研素養和創新能力。

膜分離原理圖

（一）超濾膜對不同分子量（MWCO）物質的分離與純化

超濾的分離原理為物理篩分，水中大分子溶質和微粒被濾膜截留，透過膜的就是潔凈的水。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，結果顯示截留分子量1000和5000的超濾膜對廢水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二級出水中污染物的去除。二級出水經超濾后，50k的超濾膜可以有效去除腐殖酸類物質，而100k無法去除，說明原水中腐殖酸類物質大小在50～100k范圍內。對可溶性有機物的去除，50k的超濾膜比100k的去除效率高約10.0%。

（1）實驗目的：了解超濾分離的基本原理，掌握超濾設備的基本操作，膜組件的選型。

（2）實驗設備：平板膜小試設備，紫外—可見分光光度計。

（3）實驗內容：超濾膜對大分子的截留實驗。

（4）實驗過程：實驗選用2種切割分子量（10000，30000）的聚醚砜（PES）材質的平板超濾膜，選取不同分子量的聚乙二醇（PEG20000和PEG6000，分子量分別為20000和6000）作為溶質來測試膜的截留性能。采用Dragendoff試劑為顯色劑，通過PEG與顯色劑的顏色反應，利用分光光度法間接測定PEG濃度。配制5000mg/L的PEG溶液，作為測試液放入恒溫儲液槽中。采用錯流過濾方式運行膜測試裝置，調節測試溫度為25℃±0.5℃，緩慢調節跨膜壓差為0.10MPa，待系統穩定運行后10min收集透析液和進料液。測量進料液和透析液中PEG濃度，從而計算出膜對PEG的截留率。

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

通過該實驗，學生能深刻理解膜的切割分子量和截留率的意義，并在實際中學會根據水中污染物的分子量來選擇不同的膜對去除污染物，從而達到水質凈化的目的。

（二）超濾與混凝工藝對濁度的去除

混凝是傳統水處理技術，主要通過向水中投加混凝劑，使得水中污染物發生凝聚沉淀，使得出水濁度或COD降低。但是混凝工藝在實際項目運行中存在藥物投加過量，且產生的污泥量過大，污泥為危險廢物增加了企業的運行成本。超濾出水穩定，且產泥量很少，所以在實際工程中對懸浮物的去除，越來越多的采用超濾技術[6]。

（1）實驗目的：對比超濾和混凝技術，掌握超濾設備的基本操作。

（2）實驗設備：中空纖維膜小試設備，濁度計。

（3）實驗內容：超濾與絮凝工藝對比。

（4）實驗過程：本實驗為開放性實驗，由學生制訂實驗方案，對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行過濾實驗，同時選用聚合氯化鋁（PAC）進行混凝實驗，對比兩種方法對濁度去除的效果。

膜過濾實驗：采用外壓式PVDF中空纖維膜組件，膜孔徑為0.1μm，過濾面積為0.2m2，測試溫度為25℃±05℃，緩慢調節跨膜壓差為0.10MPa，待系統穩定運行后10min收集透析液，分別測量原液和透析液的濁度。

混凝實驗：調節原水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，混凝法對原水濁度的去除效果。

（5）實驗結果分析：學生實驗結果顯示，在原水濁度改變的情況下，超濾工藝出水水質穩定，能始終保持濁度小于1NTU，去除率達98%以上。對于混凝法，pH和PAC添加量不同，會影響濁度的去除率。

通過這個實驗，學生不僅能夠了解各影響因素對混凝效果的影響，學會優化反應條件，且學會根據不同水質條件和出水要求，選擇不同的處理工藝。

（三）納濾膜對一價及二價鹽離子的分離

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，其對無機鹽離子有不同選擇透過性，其主要分離原理是篩分效應和電荷效應。納濾分離技術常用于去除廢水中的無機離子，如長沙力元新材料股份有限公司采用3級納濾技術處理電鍍鎳漂洗水，處理后水回用率大于98%，鎳的回收率達到97%以上[7]。

（1）實驗目的：了解納濾膜分離的基本原理，掌握納濾設備的基本操作，膜組件選型。

（2）實驗設備：卷式膜小試設備，電導率儀。

（3）實驗內容：納濾技術去除水中離子。

（4）實驗過程：采用美國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機鹽作為實驗試劑。準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），測其電導率，繪制電導率與鹽濃度關系曲線。配制2g/L濃度的鹽溶液，放入膜分離小試設備的料桶中，啟動高壓泵，調節進膜壓力為0.8MPa，開始實驗。隨時間的變化，隔段時間取樣，分別測定濃縮液和透析液的電導率，根據電導率與鹽濃度的關系曲線，得到透析液的鹽濃度，計算出膜的瞬時截留率，實驗結束后計算膜的平均截留率。

（5）實驗結果分析：學生實驗結果顯示，DL膜對二價鹽MgSO4的截留率為95%～96%，對一價鹽NaCL的截留率為25%～30%，說明該DL膜可以截留二價以上的離子，而大部分的一價離子可以直接透過膜，能實現一價離子與二價離子的有效分離。

通過這個實驗，學生能直觀了解納濾分離的原理與過程，學會納濾膜的選擇。在實際應用中，如苦咸水淡化，含金屬廢水處理與資源化等，可采用納濾膜分離技術，能夠有效實現污水處理的目的。

結語

將膜分離技術引入環境工程專業實驗課的教學中，不僅豐富了實驗內容，且讓學生將實驗操作與理論知識相結合，拓寬了學生的知識面，培養了創新能力和獨立思考能力，為環境工程專業學生將來的科研工作和走入工業界之路奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]趙君，郭尚文.污水處理中的膜分離技術[J].環境與發展，2019，31（01）：7274.

[2]劉啟明，田清華，馬建華，等.含鹽廢水電滲析膜分離處理工藝研究[J].生態環境學報，2012，21（09）：16041607.

[3]周超，高學理，郭喜亮，等.雙膜法工藝處理回用焦化廢水的中試研究[J].現代化工，2012，32（08）：8186.

[4]彭海珠，張新妙.膜法處理精對苯二甲酸精制廢水[J].化工環保，2019，39（05）：516520.

[5]張啟偉，孫麗華，呂靜靜，等.不同材質及不同截留分子量超濾膜對二級出水中污染物的去除研究[J].工業安全與環保，2018，44（09）：1319.

[6]李芳，邢世錄，田瑞，等.超濾膜與混凝對濁度去除的影響[J].安徽農業科學，2011，39（31）：1936119363.

[7]鄭文娜.膜技術在電鍍鎳漂洗水處理中的應用[J].冶金設備，2014，212，特刊1：103106.

基金項目：南方科技大學2019年高等教育教學研究和改革項目“環境科學與工程專業核心實驗課程教學改革與學生創新能力培養”

作者簡介：熊鷹（1976—?），女，漢族，湖北鐘祥人，博士，高級實驗師，研究方向：環境工程專業本科生實驗與實踐教學。