王月伶, 段鳳魁, 胡洪營, 席勁瑛, 楊宏偉

(清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)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(xué) 環(huán)境學(xué)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(dǎo)、流量、壓力自動監(jiān)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(zhì),通過在膜兩側(cè)施加一種或多種推動力,使原料中的某組分選擇性的優(yōu)先透過膜,從而達到混合物分離和產(chǎn)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(qū)別在于被分離物質(zhì)的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)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(zhì),壓力差與溶液中的溶質(zhì)濃度有關(guān),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(zhì)[1]。與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比,膜分離過程一般較簡單、設(shè)備體積小、經(jīng)濟性較好、分離系數(shù)較大,一般沒有相變、在常溫下可連續(xù)操作,節(jié)能、高效、無二次污染[2]。由于膜分離技術(shù)具備的諸多優(yōu)點,使膜分離技術(shù)在飲用水、廢水處理、食品工業(yè)、生物醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-12]。

膜分離技術(shù)在實際的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用,是水質(zhì)凈化與水污染控制的重要技術(shù)。環(huán)境工程專業(yè)通過膜分離的實驗教學(xué)工作,加深學(xué)生對膜分離理論的理解,讓學(xué)生更加直觀地了解不同的膜組件的構(gòu)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(yīng)用膜分離技術(shù)解決實際問題奠定基礎(chǔ)。

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(xiàn)有的膜分離實驗裝置進行了調(diào)研,發(fā)現(xiàn)目前環(huán)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(nèi)容單一[13-15]。結(jié)合理論課的教學(xué)內(nèi)容,考慮到實驗教學(xué)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(chǎn)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)、流量自動監(jiān)測。通過控制相應(yīng)閥門的開關(guān),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(chǎn)水箱、納濾產(chǎn)水箱和反滲透產(chǎn)水箱,可以將原水依次通過超濾膜、納濾膜和反滲透膜,監(jiān)測水質(zhì)的變化情況,可以讓學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 膜分離實驗裝置示意圖

2 實際教學(xué)效果

膜分離實驗裝置設(shè)計加工完成后,經(jīng)過多次的預(yù)實驗,順利應(yīng)用到實驗教學(xué)中。膜分離實驗的開設(shè),豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容,也是環(huán)境工程原理實驗課程建設(shè)的重要內(nèi)容。清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程實驗教學(xué)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(xué)質(zhì)量。考慮到環(huán)境學(xué)院的人才培養(yǎng)目標,以及社會對環(huán)境保護及污染防治人才的需求,中心開設(shè)的實驗項目既保證學(xué)生能掌握基本的實驗原理和實驗技能,又為學(xué)生提供廣闊的自由發(fā)揮空間,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。膜分離實驗裝置功能較完善,結(jié)合中心現(xiàn)有的分析測試設(shè)備,學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇多種實驗方案。實驗前全班學(xué)生自愿組合,分成幾大組,每組4～6人,自行設(shè)計實驗方案,也可以幾個大組聯(lián)合設(shè)計一個較大的實驗方案,每組完成其中的一部分實驗內(nèi)容,實驗結(jié)束后將實驗數(shù)據(jù)共享。學(xué)生自主設(shè)計實驗方案,使學(xué)生的實驗積極性大為提高,每個學(xué)生都能積極主動地參與實驗,激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣。

通過實驗課的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,不僅加深了學(xué)生對理論知識的理解和掌握,訓(xùn)練了學(xué)生的基本實驗技能,培養(yǎng)了學(xué)生良好的實驗習(xí)慣和基本的科學(xué)素養(yǎng),更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)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(xué)在課堂理論學(xué)習(xí)與實際應(yīng)用之間搭建一座橋梁,為學(xué)生日后從事相關(guān)的科研或解決具體實際問題奠定良好的基礎(chǔ)。

膜分離實驗裝置除了用于中心的實驗教學(xué)工作外,還為學(xué)院的相關(guān)科研工作提供服務(wù)?？蒲袑嶒灥某晒梢詾閷嶒灲虒W(xué)提供素材和借鑒,不僅提高了設(shè)備的使用效益,同時實現(xiàn)了科研與實驗教學(xué)的相互促進,豐富了實驗教學(xué)素材。通過實驗教學(xué)使學(xué)生了解到相關(guān)領(lǐng)域的最新研究進展及技術(shù)的實際應(yīng)用情況,拓寬學(xué)生的視野,開闊學(xué)生的思維。

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

3 結(jié)束語

實驗教學(xué)設(shè)備的研制要綜合考慮課程教學(xué)大綱、實驗室場地、資金等因素,設(shè)備要功能完備、性能穩(wěn)定、美觀、安全、耐用、操作方便。膜分離實驗裝置在實際教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果,但也有需要進一步改進的細節(jié),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(xué)工作中,需要不斷總結(jié)經(jīng)驗,針對問題在細節(jié)方面進行不斷完善改進,使設(shè)備更好地服務(wù)于教學(xué)和科研工作。

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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(xué)實驗室創(chuàng)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(xué)工作.

E-mail：wangyuel@mail.tsinghua.edu.cn

G484

A

1002-4956(2015)9- 0009- 02