1、實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 1實驗一 逆滲透與超過濾薄膜分離（Counter seepage and ultrafiltration membrane separation）一、實驗目的1. 熟悉薄膜分離操作原理。2. 測量逆滲透與超過濾薄膜之去鹽率、壓力差與質量通量關係，進而求得薄膜特性數。二、實驗原理在水處理的應用上，薄膜分離技術（membrane separation）因其較低的能量消耗已逐漸取代蒸餾法成為主要的淨水方法。在薄膜分離技術中，逆滲透（Reverse Osmosis，RO）與超過濾（ultrafiltration，UF ）兩種分離方法具有代表性。RO 目前已大規模應用於海水
2、淡化（desalination ），是中東沙漠國家獲取淡水的主要方法；UF 則廣泛用於廢水處理程序中。實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 2薄膜分離的原理是利用有選擇性的薄膜，容許阻隔特定分子離子或粒子通過薄膜以達分離之目的。薄膜內輸送機構，若屬於固體中分子離子擴散的輸送現象，則是逆滲透；若屬於多孔質內的曲折黏性流體流動，則是超過濾。所以逆滲透薄膜選擇性分離尺寸是在分子或離子的範園，而超過濾薄膜選擇性分離的尺寸則較大。在巨分子或微米級粒子的範圈（如圖一所示），為各種分離法的有效分離範圍圖中顯示逆滲透與超過濾的有效分離範圖一 薄膜處理技術之有效範圍實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 3圍，間有相當程度的重疊
3、。逆滲透膜的擴散模式可分別考慮水與鹽兩成份的擴散在穩態條件下，滲透液（純水）通量與膜兩側壓力差有下式關係 :()wNAp（10.1）（10.1）式中 Nw 為溶劑（水）的質量通量，Kg （水）/sm 2，p 為進口壓力與出口壓力差，N/m 2(atm)； 為進口溶液與出口滲透液的滲透壓，N/m 2(atm)；A w 為溶劑（水）的滲透常數，Kg（水）/NS 或 kg（水）/sm 2atm 。對於超過濾膜而言，上式仍然成立，但忽略滲透壓差。滲透鹽通量與兩側鹽濃度差有下列關係 :12()ssNAC（10.2）（10.2）式中 Ns 為溶質（鹽）的質量通量，Kg（鹽）/s m2；Cl 與 C2 分別
4、為進口溶液與出口溶液的鹽溶度，Kg（鹽）/m 3；As 代表溶質的滲透常數，m/s；A w 與 As 即代表膜的分離特性。實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 4以海水淡化所使用的 RO 膜為例，膜材質要求要具有高 Aw（代表純水分離效率高）且低 As值（代表有效阻隔鹽）。評估膜管去除鹽的能力，常用去鹽率（rejection ratio 或 desalination ratio）代表，定義如下：1221CR（10.3）三、實驗儀器實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 5四、注意事項：1. 測完 RO 膜後將控制面板上開關切至 UF 膜時，迴流閥應保持不變無需再做調整，直接調整 UF 壓力控制閥即可；若不慎改變
5、迴流閥之流量，則須將控制面板上開關切回 RO 重新調整壓力大小後，再切至 UF 膜進行測定2. 實驗結束後用 RO 過濾以清洗 RO 膜上本次實驗殘留的食鹽（原水槽的水量不可低於出水孔） ，最後再將 3 個水槽清洗乾淨並擦拭實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 6乾淨五、問題與討論1. 比較 RO 膜與 UF 膜之特性，及其應用上之異同。2. 簡述滲透壓的定義。六、產業應用（1）RO 膜應用： 海水淡化也稱海水化淡、海水脫鹽，是指將水中的多餘鹽分和礦物質去除得到淡水的過程。海水淡化主要是為了提供飲用水和農業用水，有時食用鹽也會作為副產品被生產出來。 海水淡化在中東地區很流行，在某些島嶼和船隻上也被使用
6、。海水淡化需要大量能量，所以在不富裕的國家經濟效益並不高。 海水淡化原理是利用一張只准水分子透過，不許鹽分子透過的半透膜，將容器分成兩半。在膜的兩則分別注入純水及含鹽水，讓兩側的高度一樣高。過了一段時間後，鹽水的液面升高，純水的液面下降，這是由於純水一側的水分子透過半透膜在向鹽水那實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 7側轉移。當滲透達到平衡時，鹽水一側的水柱高於純淨水一側的水柱，這種現象產生於所謂的滲透壓 ，這滲透壓的高低取決於鹽水濃度的高低。（2）UF 膜應用： 利用經膜負壓(Trans-membranous pressure，TMP 又稱之為透析液壓力 dialysate pressure)的壓
7、力控制或體積控制達到超過濾，去除水份的目的。 目前市場上的透析機器的超過濾控制系統，一般區分為流量感應系統及機械原理系統二大類。此二大系統均是直接感應或評估出透析液進出透析器的流量差異，再決定超過濾的多寡，較以前為精確。其應用領域則在醫學、工業（廢水處理）方面較多 （3）水處理方面 都市污水回收實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 8 工業廢水回收 純水製造實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 9七、參考資料 :1. 羅文偉等編著，“單元操作實驗 ”，高立圖書， 78 年三版。2. 張簡國平編著，“單元操作實驗 ”，高立圖書， 77 年二版。3. 鄧禮堂編著，“單元操作實驗 ”，協志工業叢書， 72 年六版。
8、實驗步驟：導電度計校正法1. 一開始先將原水槽裝滿蒸餾水，此時將純水槽及廢水槽的電導度計移至原水槽，以純水槽之電導度計為準，對其他兩隻電導度計進行校正2. 加入 40g 的食鹽之後，此時將純水槽及廢水槽的電導度計移至原水槽，以純水槽之電導度計為準，對其他兩隻電導度計進行校正3. 原水槽更換成自來水後，一樣將純水槽及廢水槽的電導度計移至原水槽，以純水槽之電導度計為準，對其他兩隻電導度計進行校正實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 10壹實驗前準備流程：1. 打開儀器右方薄膜分離緊急停止電源開關（下壓右旋）2. 關閉水槽後方排水閥，同時將迴流閥全開、RO 壓力控制閥微開。貳實驗步驟：UF 膜與 RO 膜對
9、食鹽水導電度之過濾效果1. 將原水槽注滿蒸餾水至標籤上緣，加入食鹽 40g，待其完全溶解(注原水槽 RO 純水槽 廢水槽電導度計實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 11意水有無濺濕地面或機械機具，需隨時保持乾燥以防滑倒或機具遇水短路)2. 利用蒸餾水、食鹽水來校正導電度計之讀數並紀錄蒸餾水、食鹽水之導電度以純水槽之電導度計為準，對其他兩隻電導度計進行校正。3. 將迴流閥全開、RO 壓力控制閥微開。(注意迴流閥不可全關以防泵浦燒壞)4. 將控制面板上開關切至 RO5. 慢慢微關迴流閥並調整 RO 壓力控制閥，使進水壓力為 7/ 2並調整廢水流量：純水流量2：1（進水壓力不可大於 7/ 2，會造成 RO
10、 膜破裂）6. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水、廢水及純水導電度，每 10秒紀錄一次，持續 1 分鐘7. 慢慢微關迴流閥並調整 RO 壓力控制閥，使進水壓力為 7/ 2並調整 RO 壓力控制閥，使廢水流量：純水流量3：18. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水、廢水及純水導電度，每 10秒紀錄一次，持續 1 分鐘迴流閥標籤上緣處 切至 RO進水壓力不可大於 7 kg/cm212實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 129. 將控制面板上開關切至 OFF10. 將控制面板上開關切至 UF11. 調整 UF 壓力控制閥，使廢水流量：純水流量 1：112. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水
11、、廢水及純水導電度，每10秒紀錄一次，持續 1 分鐘13. 調整 UF 壓力控制閥，使廢水流量：純水流量 2：1（很難調整到 2：1，故盡量調整接近比例，約 30：20）14. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水、廢水及純水導電度，每10秒紀錄一次，持續 1 分鐘15. 將控制面板上開關切至 OFF16. 清洗原水槽並使導電度計回到校正時之讀數。(注意水有無濺濕地面或機械機具，需隨時保持乾燥以防滑倒或機具遇水短路)UF 膜與 RO 膜對自來水導電度之過濾效果1. 關閉水槽後方排水閥，同時將迴流閥全開、RO 壓力控制閥微開(注意迴流閥不可全關以防泵浦燒壞)。2. 將原水槽注滿自來水至標籤上緣
12、，利用自來水來校正導電度計之讀數並紀錄自來水之導電度以純水槽之電導度計為準，對其他兩隻電導度計進行校正。3. 將控制面板上開關切至 RO4. 慢慢微關迴流閥並調整 RO 壓力控制閥，使進水壓力為 7/ 2並調整廢水流量：純水流量2：1（進水壓力不可大於 7/ 2，會造成RO 膜破裂5. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水、廢水及純水導電度，每 10秒紀錄一次，持續 1 分鐘6. 慢慢微關迴流閥並調整 RO 壓力控制閥，使進水壓力為 7/ 2並調整 RO 壓力控制閥，使廢水流量：純水流量3：17. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水、廢水及純水導電度，每 10進水壓力不可大於 7 kg/
13、cm22 1實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 13秒紀錄一次，持續 1 分鐘8. 將控制面板上開關切至 OFF9. 將控制面板上開關切至 UF10. 調整 UF 壓力控制閥，使廢水流量：純水流量 1：111. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水、廢水及純水導電度，每10秒紀錄一次，持續 1 分鐘12. 調整 UF 壓力控制閥，使廢水流量：純水流量 2：1（很難調整到 2：1，故盡量調整接近比例，約 30：20）13. 待流量穩定，等 2 分鐘後開始紀錄原水、廢水及純水導電度，每10秒紀錄一次，持續 1 分鐘14. 將控制面板上開關切至 OFF15. 清洗原水槽並使導電度計回到校正時之讀數。 (
14、地面需拖乾保持乾燥)實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 14元智大學列管實驗場所安全作業標準作業種類：化工與材料實驗 分類編號：R2203-001作業名稱：逆滲透與超過濾薄膜分離 訂定日期：101 年 03 月 21日作業方式：34 人作業 修訂日期：101 年 03 月 21日處理對象：食鹽(NaCl)、水 標準製作人：李忠錂 分機：2552使用器具：泵浦、導電度計、RO 膜、UF 膜 防護器具：安全眼鏡、橡膠鞋工作步驟 工作方法 不安全因素 安全措施 事故處理1.作業前1-1 藥品配置1-2 迴流閥全開1-3 導電度校正1-1 地板過濕漏電1-2 藥品配置時濺出1-1 熟讀 MSDS 相關資料1
15、-2 穿戴安全眼鏡及橡膠鞋1-1 受傷人員至衛保室治療1-2 迅速利用非導電物件移開患者2.作業中2-1 微關 RO 或 UF壓力控制閥，RO 進水壓力不可大於 7 kg/cm2 2-2 紀錄原水、廢水及純水導電度2-1 閥件全關泵浦燒壞2-2 水流出至機械器具導致短路2-1 保持迴流閥微開2-2 檢查排水閥是否關閉2-1 受傷人員至衛保室治療2-2 迅速利用非導電物件移開患者3.作業後3-1 水槽清潔整理3-2 地板清潔整理3-3 關閉電源3-1 地板過濕導致人員滑倒受傷3-1 確認所有電源關閉，進行地板清潔整理3-1 受傷人員至衛保室治療3-2 包紮並赴醫治療實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁
16、15圖解單位主管（實驗場所負責人）： 實驗場所管理人：電導度計校正 原水槽 導電度 純水槽 導電度 廢水槽 導電度蒸餾水 加入食鹽 自來水 食鹽水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水 原水校正 廢水校正 去鹽率0 10 20 30 40 50 RO流量比廢水：純水=2 ：1（請寫出實際流量比）60 食鹽水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水 原水校正 廢水校正 去鹽率0 10 20 30 40 50 RO流量比廢水：純水=3 ：1（請寫出實際流量比）60 食鹽水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水 原水校正 廢水校正 去鹽率實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 16自來水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水
17、原水校正 廢水校正 去鹽率01020304050RO流量比廢水：純水=2：1（實際流量比）60自來水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水 原水校正 廢水校正 去鹽率0 10 20 30 40 RO流量比廢水：純水=3：1（實際流量比）50 0 10 20 30 40 50 UF流量比廢水：純水=1 ：1（請寫出實際流量比）60食鹽水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水 原水校正 廢水校正 去鹽率0 10 20 30 40 50 UF流量比廢水：純水=2 ：1（實際流量比）60實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 1760 自來水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水 原水校正 廢水校正 去鹽率0 10 20 30 40 50 UF流量比廢水：純水=1：1（實際流量比）60 自來水實驗 時間（s） 純水 原水 廢水 原水校正 廢水校正 去鹽率0 10 20 30 40 50 UF流量比廢水：純水=2：1（實際流量比）60 標籤處實驗一 逆滲透與薄膜分離 頁 18
