膜分离技术在环境工程实验教学中的应用

熊鹰 裘文慧 刘俊国

摘 要：膜分离技术在水处理领域广泛应用，但在环境工程专业实验教学中少有设计膜分离技术相关的实验。本文将膜分离技术引入环境工程专业实验教学中，设计了超滤和纳滤膜分离实验等验证性和开放性实验。通过这些实验设计，让学生能充分掌握膜分离在水处理中的应用原理，创新能力得到锻炼和提高，为以后的工程实践打下基础。

关键词：膜分离;超滤;纳滤

中图分类号：G642  文献标识码：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

膜分離技术是以具有分子筛分功能的选择性半透膜为核心，基于渗透驱动，实现物质的分离与纯化。基于其工艺简单、易操作、出水水质稳定等优点，膜分离技术近年来在水处理领域得到了广泛的应用，如双膜法处理焦化废水，膜生物反应器（MBR）技术在市政污水处理及中水回用的应用，超滤技术在饮用水厂的应用，电渗析处理含盐废水以及反渗透和正渗透技术在海水淡化方面的应用等[13]。

虽然膜技术在水处理领域应用广泛，但是膜分离技术属于化工分离领域，不属于传统的水处理技术，因此大多数高校环境工程专业本科实验教学中，并没有设计膜分离技术相关的实验内容。由此，造成很多环境工程专业毕业的学生在实际工作当中对于膜分离技术比较陌生。为解决这一问题，给学生补上短板，作者在环境工程专业本科实验教学中，设计了多个膜分离实验，不仅加深了学生对膜分离技术的知识掌握，而且提高了学生的动手能力，为培养创新型工科人才提供了实际操作的支持。

二、膜分离技术相关技术参数

在膜分离技术中，衡量膜技术性能的参数主要有溶质的截留率（R）和透过液的通量（J）。

（一）膜的溶质截留率（R）

膜的溶质截留率表示膜对溶液中不同溶质分子的分离和阻截能力。

R=C0-CpC0×100%（1）

在这个公式中，R—溶质的截留率;

C0—进料液中溶质浓度，mol/L;

Cp—透过液中溶质浓度，mol/L。

同一种膜在分离不同的溶质时，相同的运行条件下，膜对溶质的截留率不同。影响截留率的主要因素是膜的分离孔径和溶质分子量大小，运行压力和温度。

（二）膜的溶液通量（J）

膜对溶液分离过程中，溶液通过错流过滤方式分离纯化。溶液分为两部分，透过膜的部分为透过液，被膜阻隔回流到原料桶的部分为浓缩液。单位时间内透过单位面积膜的溶液体积即为膜通量J。

J=VPS×t（2）

式中，J—膜通量，L/（m2·h）;

Vp—透过液的体积，L;

S—膜面积，m2;

t—设备运行时间，h。

膜通量的大小决定膜分离设备的规模，影响膜通量的因素有运行温度，运行压力等。

三、膜分离技术教学实例

膜分离技术的原理如下图。在进行本科生环境工程专业实验设计时，可以根据不同的原水，分离目的，水中污染物的种类等的不同，选择不同的膜分离技术和设备，将实验设计为综合性或开放性实验。对于本科生实验，在掌握原理的基础上，提出实验目的和要求，给出基本的实验步骤，要求学生自行选定实验条件和实验因素，最终完成实验。主要考查学生对实验原理的掌握、相关知识理解，以及灵活应变能力。

在课程考核方面，总成绩主要由平时成绩和实验报告构成，其中实验报告占60%。主要考查学生实验报告的格式，实验方案的完成性，实验数据处理与分析，实验结果讨论，重点在于學生对数据的分析与讨论。通过专业实验教学，激发学生的学习兴趣，同时培养学生的科研素养和创新能力。

膜分离原理图

（一）超滤膜对不同分子量（MWCO）物质的分离与纯化

超滤的分离原理为物理筛分，水中大分子溶质和微粒被滤膜截留，透过膜的就是洁净的水。彭海珠等[4]选用不同的超滤膜去除PTA精制废水中剩余少量悬浮物以及溶于水中的大分子化合物和胶体，结果显示截留分子量1000和5000的超滤膜对废水COD的去除率分别为65%和25%。张启伟等[5]研究了不同膜材料及不同截留分子量的超滤膜对二级出水中污染物的去除。二级出水经超滤后，50k的超滤膜可以有效去除腐殖酸类物质，而100k无法去除，说明原水中腐殖酸类物质大小在50～100k范围内。对可溶性有机物的去除，50k的超滤膜比100k的去除效率高约10.0%。

（1）实验目的：了解超滤分离的基本原理，掌握超滤设备的基本操作，膜组件的选型。

（2）实验设备：平板膜小试设备，紫外—可见分光光度计。

（3）实验内容：超滤膜对大分子的截留实验。

（4）实验过程：实验选用2种切割分子量（10000，30000）的聚醚砜（PES）材质的平板超滤膜，选取不同分子量的聚乙二醇（PEG20000和PEG6000，分子量分别为20000和6000）作为溶质来测试膜的截留性能。采用Dragendoff试剂为显色剂，通过PEG与显色剂的颜色反应，利用分光光度法间接测定PEG浓度。配制5000mg/L的PEG溶液，作为测试液放入恒温储液槽中。采用错流过滤方式运行膜测试装置，调节测试温度为25℃±0.5℃，缓慢调节跨膜压差为0.10MPa，待系统稳定运行后10min收集透析液和进料液。测量进料液和透析液中PEG浓度，从而计算出膜对PEG的截留率。

（5）实验结果分析：实验结果显示，不同的超滤膜对不同分子量的截留率不同。切割分子量为10000的PES膜对PES20000和PES6000的截留率分别为98%和80%，而截留分子量30000的PES膜对PES20000和PES6000的截留率分别为18%和0。

通过该实验，学生能深刻理解膜的切割分子量和截留率的意义，并在实际中学会根据水中污染物的分子量来选择不同的膜对去除污染物，从而达到水质净化的目的。

（二）超滤与混凝工艺对浊度的去除

混凝是传统水处理技术，主要通过向水中投加混凝剂，使得水中污染物发生凝聚沉淀，使得出水浊度或COD降低。但是混凝工艺在实际项目运行中存在药物投加过量，且产生的污泥量过大，污泥为危险废物增加了企业的运行成本。超滤出水稳定，且产泥量很少，所以在实际工程中对悬浮物的去除，越来越多的采用超滤技术[6]。

（1）实验目的：对比超滤和混凝技术，掌握超滤设备的基本操作。

（2）实验设备：中空纤维膜小试设备，浊度计。

（3）实验内容：超滤与絮凝工艺对比。

（4）实验过程：本实验为开放性实验，由学生制订实验方案，对比两种水处理工艺的差别，充分掌握两种工艺的原理。用硅藻土配制3种浊度的原水（20，100，200NTU），选用中空纤维膜组件进行过滤实验，同时选用聚合氯化铝（PAC）进行混凝实验，对比两种方法对浊度去除的效果。

膜过滤实验：采用外压式PVDF中空纤维膜组件，膜孔径为0.1μm，过滤面积为0.2m2，测试温度为25℃±05℃，缓慢调节跨膜压差为0.10MPa，待系统稳定运行后10min收集透析液，分别测量原液和透析液的浊度。

混凝实验：调节原水pH为5～10，添加一定量的PAC，考察不同的pH或不同PAC添加量的情况下，混凝法对原水浊度的去除效果。

（5）实验结果分析：学生实验结果显示，在原水浊度改变的情况下，超滤工艺出水水质稳定，能始终保持浊度小于1NTU，去除率达98%以上。对于混凝法，pH和PAC添加量不同，会影响浊度的去除率。

通过这个实验，学生不仅能够了解各影响因素对混凝效果的影响，学会优化反应条件，且学会根据不同水质条件和出水要求，选择不同的处理工艺。

（三）纳滤膜对一价及二价盐离子的分离

纳滤截留分子量介于反渗透和超滤之间，由于膜表面常带有电荷，其对无机盐离子有不同选择透过性，其主要分离原理是筛分效应和电荷效应。纳滤分离技术常用于去除废水中的无机离子，如长沙力元新材料股份有限公司采用3级纳滤技术处理电镀镍漂洗水，处理后水回用率大于98%，镍的回收率达到97%以上[7]。

（1）实验目的：了解纳滤膜分离的基本原理，掌握纳滤设备的基本操作，膜组件选型。

（2）实验设备：卷式膜小试设备，电导率仪。

（3）实验内容：纳滤技术去除水中离子。

（4）实验过程：采用美国GE公司DL纳滤膜（膜的有效面积为0.23m2），选用硫酸镁和氯化钠两种无机盐作为实验试剂。准确称取一定量的盐配成一定浓度梯度的盐溶液（0.0、0.2、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5g/L），测其电导率，绘制电导率与盐浓度关系曲线。配制2g/L浓度的盐溶液，放入膜分离小试设备的料桶中，启动高压泵，调节进膜压力为0.8MPa，开始实验。随时间的变化，隔段时间取样，分别测定浓缩液和透析液的电导率，根据电导率与盐浓度的关系曲线，得到透析液的盐浓度，计算出膜的瞬时截留率，实验结束后计算膜的平均截留率。

（5）实验结果分析：学生实验结果显示，DL膜对二价盐MgSO4的截留率为95%～96%，对一价盐NaCL的截留率为25%～30%，说明该DL膜可以截留二价以上的离子，而大部分的一价离子可以直接透过膜，能实现一价离子与二价离子的有效分离。

通过这个实验，学生能直观了解纳滤分离的原理与过程，学会纳滤膜的选择。在实际应用中，如苦咸水淡化，含金属废水处理与资源化等，可采用纳滤膜分离技术，能够有效实现污水处理的目的。

结语

将膜分离技术引入环境工程专业实验课的教学中，不仅丰富了实验内容，且让学生将实验操作与理论知识相结合，拓宽了学生的知识面，培养了创新能力和独立思考能力，为环境工程专业学生将来的科研工作和走入工业界之路奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]赵君，郭尚文.污水处理中的膜分离技术[J].环境与发展，2019，31（01）：7274.

[2]刘启明，田清华，马建华，等.含盐废水电渗析膜分离处理工艺研究[J].生态环境学报，2012，21（09）：16041607.

[3]周超，高学理，郭喜亮，等.双膜法工艺处理回用焦化废水的中试研究[J].现代化工，2012，32（08）：8186.

[4]彭海珠，张新妙.膜法处理精对苯二甲酸精制废水[J].化工环保，2019，39（05）：516520.

[5]张启伟，孙丽华，吕静静，等.不同材质及不同截留分子量超滤膜对二级出水中污染物的去除研究[J].工业安全与环保，2018，44（09）：1319.

[6]李芳，邢世录，田瑞，等.超滤膜与混凝对浊度去除的影响[J].安徽农业科学，2011，39（31）：1936119363.

[7]郑文娜.膜技术在电镀镍漂洗水处理中的应用[J].冶金设备，2014，212，特刊1：103106.

基金項目：南方科技大学2019年高等教育教学研究和改革项目“环境科学与工程专业核心实验课程教学改革与学生创新能力培养”

作者简介：熊鹰（1976— ），女，汉族，湖北钟祥人，博士，高级实验师，研究方向：环境工程专业本科生实验与实践教学。