一种正向渗透膜水处理教学实验装置与方法

摘要

一种正向渗透膜水处理教学实验装置，包括原料液量杯、汲取液量杯、蠕动泵一、蠕动泵二和膜组件，膜组件由正向渗透膜及其夹具构成，原料液量杯、蠕动泵一与膜组件的一侧膜室空腔形成回路，汲取液量杯、蠕动泵二与膜组件的另一侧膜室空腔形成回路，蠕动泵一连接有电导仪一和光度计，蠕动泵二连接有电导仪二和压力计，原料液量杯下辅设有电子天平，各测量设备连接电脑。本发明采用自循环的汲取液处理方式，通过渗透体积、质量变化，以FO膜两侧盐度、光度、水压、水温及流量等多因子的实时数据采集，学习掌握正向渗透膜的工作原理。人体工学设计的装置设备结构，符合教学实验对全参数开放，操作直观，效果显著说明，安全低耗及高效空间利用的要求。

说明书

技术领域

本发明属于环保、化学化工教学装置技术领域，特别涉及一种正向渗透膜水处理教学实验装置与方法。

背景技术

正向渗透是利用盐溶液的渗透压，水分子通过半透膜从化学势高的地方流向化学势低的地方这一自然现象。利用高浓度汲取液获取低浓度原料液中的水分子，实现污水的浓缩减量化处置和处理。正向渗透技术是一项低碳绿色的新技术新材料科技，其独到的低成本使成为21世纪膜技术材料的研究热点。该技术具有的低能耗、低工作压力、低污染和零排放等优势，在社会生产实践中，可应用于如海水淡化、饮用水净化、垃圾渗滤液处理、植物提取液浓缩以及农业肥水灌溉利用等多个领域，在水质的脱盐处理技术方面具有重要的市场经济价值。

目前市场上的正向渗透膜技术装置的应用流程庞杂，尤其对高渗透压的汲取液浓水的保证，需要特殊的技术工艺和空间障碍，难以应用到课堂实验教学当中。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种正向渗透膜水处理教学实验装置，原料液、汲取液分别在膜组件的膜两面由泵连续使动，因渗透压不同，产生水的正向渗透变化，并通过电子天平显示指出，从而达到对原料液浓缩的减量化处理。本发明体积小，移动性好，可视，操作参数开放可调；部件料液置换方便，数据显示清晰直观，适于教学实验应用。可以满足学时内的教学实验要求。并且，实验效果显著，台式设计占地空间小，安全高效，达到了实验教学的目的和要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种正向渗透膜水处理教学实验装置，包括原料液量杯9、汲取液量杯10、蠕动泵一1、蠕动泵二2和膜组件11，所述膜组件11由正向渗透膜及其夹具构成，其特征在于，原料液量杯9、蠕动泵一1与膜组件11的一侧膜室空腔形成回路，汲取液量杯10、蠕动泵二2与膜组件11的另一侧膜室空腔形成回路，所述蠕动泵一1连接有电导仪一3和光度计5，所述蠕动泵二2连接有电导仪二4和压力计6，所述原料液量杯9下辅设有电子天平7，所述电导仪一3、光度计5、电导仪二4、压力计6和电子天平7均连接电脑12。

所述汲取液量杯10配置有磁力搅拌器8。

所述正向渗透膜可以制作成平板式或中空纤维状，所述膜组件11可拆装，其一侧膜室空腔与另一侧膜室空腔均分别设置有一个出口和一个进口。

装置整体采用门型框架结构，膜组件11位于横梁中间，蠕动泵一1和蠕动泵二2对称位于膜组件11的两侧，原料液量杯9和汲取液量杯10分别位于横梁的下方操作空间。

本发明还提供了利用所述正向渗透膜水处理教学实验装置的实验方法，采用固定体积自循环汲取液的工作方式，包括：

蠕动泵一1从原料液量杯9吸取原料液并送入膜组件11的一侧膜室空腔(50x100x3mm)，原料液的水分子由所述一侧膜室空腔通过正向渗透膜向所述另一侧膜室空腔渗透，所述一侧膜室空腔的原料液循环持续流向原料液量杯9；

蠕动泵二2从汲取液量杯10吸取汲取液并送入膜组件11的另一侧膜室空腔(50x100x3mm)，所述另一侧膜室空腔的汲取液以及通过正向渗透膜渗透的水分子循环持续流向汲取液量杯10；

持续1～2小时，过程中定时采集正向渗透膜两侧的电导、光度、水压、流量以及电子天平7的测量数据，传输至电脑12。

所述汲取液量杯10配置磁力搅拌器8，进行自循环搅拌混合。

所述所述汲取液的盐度(渗透压)高于原料液。

与现有技术相比，本装置呈“门”型结构，简洁直观，方便更换盛水量杯；部件方便拆取，整体设计紧凑，便于移动。其亚克力材质美观通透，实用安全性能高，且流程原理清晰，适用于辅助教学，有助于学生理解原理，掌握最新科技；同时，原料液、汲取液完全内循环零不外排放，实验效果显著；装置使用过程中，电导仪、光度计、压力计的数据可实时传输至电脑中，减少人工操作，适于分析比较统计研究；该装置可广泛用于工艺方法的原理示范展示、课堂实验教学，也可作为科学研究平台。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明绘制的原料液参数变化图。

图3是本发明绘制的电导率变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种正向渗透膜水处理教学实验装置，整体采用门型框架结构，门型开放式的设计更有利于实验教学过程中的观察和实时操作。装置包括原料液量杯9、汲取液量杯10、蠕动泵一1、蠕动泵二2和膜组件11，膜组件11可拆装，由正向渗透膜及其夹具构成，正向渗透膜可选用板式或中空纤维的制作方式，其一侧膜室空腔与另一侧膜室空腔均分别设置有一个出口和一个进口。

本发明中提供了的透明方形双侧四出口式膜组件，膜材料是辅有聚酰胺涂层的复酰胺半透膜，膜通量为25L/m

蠕动泵一1连接有电导仪一3和光度计5，蠕动泵二2连接有电导仪二4和压力计6，原料液量杯9下辅设有电子天平7，汲取液量杯10可配置有磁力搅拌器8。电导仪一3、光度计5、电导仪二4、压力计6和电子天平7均连接电脑12。其中原料液量杯9、蠕动泵一1与膜组件11的一侧膜室空腔形成回路，汲取液量杯10、蠕动泵二2与膜组件11的另一侧膜室空腔形成回路。

膜组件11位于横梁中间，蠕动泵一1、电导仪一3、光度计5和蠕动泵二2、电导仪二4、压力计6对称位于膜组件11的两侧，即非水操作的用电区；原料液量杯9和汲取液量杯10则分别位于横梁下方，即用水实验操作区。

本发明电导仪为EC-510，采用了宽量程的电导电极(如：0-200ms/cm)，满足不同浓度原料液与汲取液的工作要求；压力计采用数字式灵敏压力计HLGK-Y100，可指示正向渗透膜低压低耗的操作工况；数显式压力计及电导仪可以直观准确地读取相应两液体溶液的压力值和盐浓度的电导值数据。包括提供动力的蠕动泵在内的所有用电器均使用24VDC实验安全用电，整台实验设备功率约100瓦。每台蠕动泵的循环水量值约0～550ml/min，数字化的泵转速(流量)便于实验教学过程中的可视化操作。

原料液量杯9和汲取液量杯10的容积一般可取2L，量杯均有刻度指示，其空间手持取用方便，电子天平7的称量范围和测量精度可满足原料液的称量要求，原料液的体积、质量物理指标由原料液量杯9刻度和电子天平7完成。磁力搅拌器8功率可调，用于汲取液自循环混合，本发明具有数模转换高度动态可视化的特征，保证了实验室教学现代化需要。

利用该装置的实验方法，其中汲取液的盐度(渗透压)应高于原料液，采用固定体积自循环汲取液的工作方式，选取2L汲取液，保证正向渗透膜工作渗透压条件下，对于实验用膜组件，如平板式正向渗透膜(通量：25L/m

完成管路与膜组件等系统连接后，分别开机抽取原料液和汲取液，同时开启磁力搅拌器8混合汲取液，并各自返回量杯自循环运行，过程具体包括：

蠕动泵一1从原料液量杯9吸取原料液并送入膜组件11的一侧膜室空腔，原料液的水分子由一侧膜室空腔通过正向渗透膜向另一侧膜室空腔渗透，流向原料液量杯9，如此持续循环流。；

蠕动泵二2从汲取液量杯10吸取汲取液并送入膜组件11的另一侧膜室空腔，汲取渗透水分子后，持续流回汲取液量杯10；

持续1～2小时，即可在过程中定时采集正向渗透膜两侧的电导、水压、流量以及电子天平7的测量数据，传输至电脑12显示。

工况参数为：流路系统压力2x10

汲取液选择5％NaCl(60-70ms/cm)；

膜组件(50x100mm膜面积)；

膜通量：25L/M

原料液控制流量：27L/H；

汲取液控制流量：13L/H；

电子天平直读采集称量数值。

记录正向渗透膜系统工作运行时原料液、汲取液端实验数据，绘制图表。

1)加入含盐度或颜色等料液于原料液杯中。

2)检查系统的管路连接和电路等设备正常。

3)采用2L汲取液(5％NaCl)。

4)1～2学时实验运行。

5)数据记录质量、光度值及电导值如图2、3和表1。

对高盐度的典型印染水样(0时刻)：重量(1320g)、电导值(1027μs/cm)、吸光度(0.372A)，使用电导值(70.2ms/cm)的NaCl汲取液，以10分钟间隔，记录原水和汲取液的上述各项参数，记录于表1。通过测定正向渗透膜的水通量。知晓原水的浓缩减排效果。

由表1的数据，绘制原料液质量减少和染料颜色吸光度增加的间隔时间趋势图2。

由表1的数据，绘制原料液电导率增加和汲取液电导率减少的间隔时间趋势图3。

表1：质量/光度值/电导率——时间变化表

6)以原料液的浓缩减量化以及实验的运行功耗，说明实验效果。

7)思考题1：为什么原料液的盐度(浓度)、吸光度值A会改变。计算装置的实际膜水通量L/h。

8)思考题2：当选择海水为汲取液，在这个循环过程中海水会被水分子稀释。为什么说：对稀释的海水用反渗透组件处理产生的浓盐水可以补充汲取液。

9)思考题3：怎样理解正向渗透膜水处理技术的低碳节能。

另外，可选择垃圾渗滤液、农药生产废水、植物提取物、热敏物质中间体等试液(废液或试样)，以正向渗透FO膜处理技术，同上设计开放性实验，以说明样品是在怎样低压和低能耗条件下，实现均相浓缩、除菌、减量化处置处理的运行。

综上，本发明采用自循环的汲水方式，通过渗透体积、质量变化，以FO膜两侧盐度、光度、水压、水温及流量等多因子的实时数据采集，学习掌握正向渗透膜的工作原理。人体工学设计的装置设备结构，符合教学实验对参数开放，操作直观，试验效果显著，安全低耗及空间高效利用的要求。