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摘 要

超滤过程主要是在压差推动力下依靠筛分原理达到分离的效果，具有能耗低，过程稳定，操作简单等优点，可除去胶体、细菌、病毒和悬浮物中的大颗粒物质，在水处理应用中越来越受到重视。提高超滤对低分子量中性物质和电解质的去除效果，控制膜污染对通量衰减的影响，对膜分离技术在工业领域的推广应用有着重要的研究意义。

本文以不同分子量的PEG溶液为研究对象，采用自制单通道陶瓷膜对其进行超滤实验，考察了不同操作条件对陶瓷膜超滤过程分离性能的影响及膜污染机理，利用细孔模型对陶瓷超滤膜进行了模拟表征，得出其等效孔径和等效膜厚，并运用经典堵塞模型对膜污染内在机理进行分析，结果如下：

（1） 在陶瓷膜的超滤过程中，膜面流速、操作压力均对其截留率有影响。膜面流速变化对真实截留率的影响较小，但表观截留率却随其增大而增大；操作压力的大小对于不同分子量PEG的表观和真实截留率均有影响，不同分子量PEG的表观截留率均随压力的增加呈现减小的趋势，但当压力大于0.3 MPa时，对于相对分子质量≥1000的PEG，出现压力增大截留率减小的情况；

（2） PEG 20000溶液的陶瓷膜超滤过程中的膜污染主要是由完全堵塞于滤饼过滤机理控制。从各个模型对实验点的拟合曲线可见，在膜面流速较低且操作压力较高时，拟合相关度较高，膜污染较严重；

（3） 结合S-K方程和细孔模型进行膜结构参数表征，得出了该陶瓷膜的结构参数，等效膜孔径为（1.77±0.05）nm，等效膜厚为（25.4±1.50）μm，并得出了相应的特征参数，模拟结果表明细孔模型能较好地运用于陶瓷超滤膜的微观结构表征，中性物质的陶瓷膜超滤过程主要分离机理为筛分。

关键词：超滤过程 S-K方程 细孔模型 PEG

Abstract

Ultrafiltration process was mainly under the differential pressure impetus on screening principle to achieve the effect of separation, with low energy consumption, process stability, the advantages of simple operation, can remove the colloid, bacteria, viruses, and suspended solids in large particulate matter, more and more be taken seriously in water treatment applications. Improve the ultrafiltration of low molecular weight neutral material removal rate and the electrolyte, control membrane fouling on the influence of flux decline, for the popularization and application of membrane separation technology in the industrial fields has important research significance.

Based on the different molecular weight of PEG solution as the research object, using self-designed single channel on the ceramic membrane ultrafiltration experiments, examines the different operating conditions on the separation performance of the ceramic membrane ultrafiltration process and mechanism of membrane fouling, using fine mesh model of ceramic ultrafiltration membrane is simulated characterization, it is concluded that the equivalent aperture and equivalent film thickness, and using the classical block model to analyze the internal mechanism of membrane fouling, the results are as follows:

(1). The observed rejection of PEG increased as the cross-flow velocity and concentration increased, and it decreased as the operating pressure increased under the same conditions. The real rejection did not change as the cross-flow and did not monotonically increased with pressure increased. When PEG molecular weight was over 1000 and the operating pressure was over 0.3 MPa, the rejection decreased with the pressure increased;

(2). The PEG 20000 solution in the process of ceramic membrane ultrafiltration membrane fouling is mainly controlled by complete blockage in the filter cake filtration mechanism. From the various models of experimental point fitting curve can be seen, on the membrane surface at high velocity and low operation pressure, fitting correlation is higher, membrane pollution more serious;

(3). Combined with S - K equation and characterization of membrane structure parameters and fine mesh model, it is concluded that the structural parameters of the ceramic membrane, equivalent membrane pore size for 1.77 / - 0.05 nm, equivalent film thickness to microns (25.4 1.50), and draw the corresponding characteristic parameters, the simulation results show that pore model can be well applied to ceramic ultrafiltration membrane microstructure characterization, neutral material ceramic membrane ultrafiltration process main separation mechanism for screening.

KEYWORDS: ultrafiltration process; S - K equation; pore model; PEG

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 膜分离技术简介 1

1.2 超滤膜的分类 2

1.3 无机陶瓷膜的结构及特点 3

1.4 超滤技术概述 4

1.4.1超滤分离机理 4

1.4.2 超滤模型简介 4

1.5 超滤膜的应用现状 10

1.6本课题的研究思路与内容 10

第二章 实验部分 11

2.1 实验装置与试剂 11

2.2 实验过程 12

2.2.1 超滤膜截留率实验 12

2.2.2 超滤膜膜污染实验 12

2.3 仪器的原理与使用 12

2.3.1工作原理 12

2.3.2使用步骤 13

2.3.3 注意事项 13

第三章 结果与分析 15

3.1 膜面流速对超滤过程的影响 15

3.1.1 膜面流速对截留率的影响 15

3.1.2 膜面流速对膜污染的影响 15

3.2 操作压力对超滤过程的影响 17

3.2.1 操作压力对截留率的影响 17

3.2.2 操作压力对膜污染的影响 18

3.3膜结构参数表征 20

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 26

第一章 文献综述

1.1 膜分离技术简介

膜分离是指借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法^[1,2]。高分子膜的分离功能的发现，可以追朔到18世纪中叶。1748年纳尔克特发现水能自发扩散到装有酒精的猪膀胱内，第一次揭示了膜分离现象。并首创“osmosis”一词，用来描述水通过半透膜的渗析现象^[3^]。但是直到100年以后，Graham发现了透析现象，人们才开始重视对膜的研究。最初科学家们使用的主要是动物膜。直到1864年，Traube才制成人类历史上第一张人造膜——亚铁氰化铜膜。1918年齐格芒迪制成了用于分离和富集微生物和极细粒子的微孔滤膜。随后阿尔登纳等对微孔滤膜进行了深入的研究，揭示了其微观结构。1925年德国建立了世界上第一个滤膜公司。在20世纪60年代以来，超滤膜（UF），微滤膜（MF膜），反渗透膜（RO膜）的生产相继实现了工业化，并进入了实用化阶段。不久气体分离膜也将获得工业应用。

膜分离过程与传统的化工分类方法（过滤、蒸发、蒸馏、萃取、深冷分离等）过程相比较，具有如下特点：

1. 膜分离过程的能耗比较低，因为大多数膜分离过程都不发生相态变化，避免了潜热很大的相变化，另外膜分离过程通常在室温附近的温度下进行，被分离物料加热或冷却的能耗很小；

（2）适合热敏性物质分离，膜分离过程通常在常温下进行，因而特别适合于热敏性物质和生物制品（如果汁、蛋白质、酶、药品等）的分离、分级、浓缩和富集；

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