膜分離實驗裝置的研制

王月伶, 段鳳魁, 胡洪營, 席勁瑛, 楊宏偉

(清華大學 環境學院, 北京 100084)

膜分離實驗裝置的研制

王月伶, 段鳳魁, 胡洪營, 席勁瑛, 楊宏偉

(清華大學 環境學院, 北京 100084)

膜分離實驗裝置可以單獨進行超濾、納濾和反滲透實驗,也可以使原水依次通過超濾膜、納濾膜和反滲透膜進行分離。裝置可以對水溫、電導、流量、壓力自動監測。

膜分離; 超濾; 納濾; 反滲透; 實驗裝置

膜分離是以具有選擇透過功能的薄膜為分離介質,通過在膜兩側施加一種或多種推動力,使原料中的某組分選擇性的優先透過膜,從而達到混合物分離和產物的提取、濃縮、純化等目的。膜分離過程有多種,不同的分離過程所采用的膜及施加的推動力不同。微濾、超濾、納濾與反滲透都是以壓力差為推動力的膜分離過程。這4種膜分離過程的主要區別在于被分離物質的大小和所采用膜的結構和性能的不同。微濾的孔徑范圍為0.05～10 μm,壓力差為0.015～0.2 MPa；超濾的孔徑范圍為0.001～0.05 μm,壓力差為0.1～1 MPa；反滲透常用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質,壓力差與溶液中的溶質濃度有關,一般為2～10 MPa；納濾介于反滲透和超濾之間,脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低,一般用于分離溶液中相對分子量為幾百至幾千單位的物質[1]。與傳統的分離技術相比,膜分離過程一般較簡單、設備體積小、經濟性較好、分離系數較大,一般沒有相變、在常溫下可連續操作,節能、高效、無二次污染[2]。由于膜分離技術具備的諸多優點,使膜分離技術在飲用水、廢水處理、食品工業、生物醫藥工業等領域得到了廣泛的應用[3-12]。

膜分離技術在實際的生產生活中發揮著重要作用,是水質凈化與水污染控制的重要技術。環境工程專業通過膜分離的實驗教學工作,加深學生對膜分離理論的理解,讓學生更加直觀地了解不同的膜組件的構造及分離特性,了解膜分離的工藝流程及影響膜分離效果的影響因素,為今后應用膜分離技術解決實際問題奠定基礎。

1 膜分離實驗裝置的研制

在研制新的膜分離實驗裝置之前,對現有的膜分離實驗裝置進行了調研,發現目前環境工程實驗中使用的膜分離實驗裝置功能簡單,可進行的實驗內容單一[13-15]。結合理論課的教學內容,考慮到實驗教學的目的和實驗場地等條件,研制了一套膜分離實驗裝置。膜分離實驗裝置示意圖見圖1,主要由高壓泵、原水箱、產水箱、超濾膜組件、納濾膜組件、反滲透膜組件、精密過濾器、碳濾罐、砂濾罐、儀表柜等組成。裝置配有溫度傳感器、壓力傳感器、電導儀、壓力表、流量傳感器。膜組件均為卷式。

與以往的膜分離實驗裝置相比,新研制的膜分離實驗裝置功能完備,可以為學生提供多種可行的實驗方案,操作簡單。膜分離實驗裝置可以對水溫、膜前后壓、進水與出水的電導、流量自動監測。通過控制相應閥門的開關,膜分離實驗裝置可以分別進行納濾膜分離、超濾膜分離和反滲透膜分離實驗操作,可以通過實驗考察不同因素對膜分離效果的影響。膜分離實驗裝置配有超濾產水箱、納濾產水箱和反滲透產水箱,可以將原水依次通過超濾膜、納濾膜和反滲透膜,監測水質的變化情況,可以讓學生更加直觀地了解到不同膜組件的分離特性,了解不同膜組件的應用領域。

圖1 膜分離實驗裝置示意圖

2 實際教學效果

膜分離實驗裝置設計加工完成后,經過多次的預實驗,順利應用到實驗教學中。膜分離實驗的開設,豐富了實驗教學內容,也是環境工程原理實驗課程建設的重要內容。清華大學環境科學與工程實驗教學中心(下稱中心)自成立以來,一直致力于提高本科生和研究生的實驗教學質量。考慮到環境學院的人才培養目標,以及社會對環境保護及污染防治人才的需求,中心開設的實驗項目既保證學生能掌握基本的實驗原理和實驗技能,又為學生提供廣闊的自由發揮空間,激發學生的創造力。膜分離實驗裝置功能較完善,結合中心現有的分析測試設備,學生可以根據自己的興趣選擇多種實驗方案。實驗前全班學生自愿組合,分成幾大組,每組4～6人,自行設計實驗方案,也可以幾個大組聯合設計一個較大的實驗方案,每組完成其中的一部分實驗內容,實驗結束后將實驗數據共享。學生自主設計實驗方案,使學生的實驗積極性大為提高,每個學生都能積極主動地參與實驗,激發了學生的實驗興趣。

通過實驗課的學習和訓練,不僅加深了學生對理論知識的理解和掌握,訓練了學生的基本實驗技能,培養了學生良好的實驗習慣和基本的科學素養,更重要的是培養了學生的創新思維、團隊合作精神、分析問題解決問題的能力。通過實驗教學在課堂理論學習與實際應用之間搭建一座橋梁,為學生日后從事相關的科研或解決具體實際問題奠定良好的基礎。

膜分離實驗裝置除了用于中心的實驗教學工作外,還為學院的相關科研工作提供服務。科研實驗的成果可以為實驗教學提供素材和借鑒,不僅提高了設備的使用效益,同時實現了科研與實驗教學的相互促進,豐富了實驗教學素材。通過實驗教學使學生了解到相關領域的最新研究進展及技術的實際應用情況,拓寬學生的視野,開闊學生的思維。

環境科學與工程實驗實踐教學中心需要多種不同類型的實驗設備，以滿足不同課程的教學需要,但很難在市場上買到完全滿足需要的成型產品,多數都需要中心負責實驗教學的教師與理論課的教師共同研究設計。膜分離實驗裝置的研制為中心今后實驗設備的改造、研制、加工提供了借鑒,提高了中心的實驗技術水平,取得了良好的實驗教學效果。

3 結束語

實驗教學設備的研制要綜合考慮課程教學大綱、實驗室場地、資金等因素,設備要功能完備、性能穩定、美觀、安全、耐用、操作方便。膜分離實驗裝置在實際教學中取得了良好的教學效果,但也有需要進一步改進的細節,比如管路的布局不夠美觀整齊,有的閥門位置操作不方便等。在今后的教學工作中,需要不斷總結經驗,針對問題在細節方面進行不斷完善改進,使設備更好地服務于教學和科研工作。

References)

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[3] 馮骉. 膜分離的工程與應用[M]. 北京: 中國輕工業出版社,2006.

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[13] 章非娟,徐竟成. 環境工程實驗[M]. 北京: 高等教育出版社,2006.

[14] 銀玉蓉,朱能武.環境工程實驗[M].廣州:華南理工大學出版社,2014.

[15] 尹奇德,王利平,王瓊.環境工程實驗[M].武漢:華中科技大學出版社,2009.

Research and development of experimental device for membrane separation

Wang Yueling, Duan Fengkui, Hu Hongying, Xi Jinying, Yang Hongwei

(School of Enviroment,Tsinghua University,Beijing 100084, Chnia)

Ultrafiltration,nanofiltration and reverse osmosis can be operated alone by experimental device for the membrane separation. The raw water can run through ultrafiltration membrane,nanofiltration membrane,reverse osmosis membrane in sequence. The experimental device can monitor the water temperature, conductivity, flow and pressure automatically.

membrane separation; ultrafiltration; nanofiltration; reverse osmosis; experimental device

2015- 07- 10

清華大學實驗室創新基金

王月伶(1977—),女,北京,博士，高級工程師，主要從事實驗教學工作.

E-mail：wangyuel@mail.tsinghua.edu.cn

G484

A

1002-4956(2015)9- 0009- 02