[发明专利]膜截留分子量自动分析仪

说明书

一种膜截留分子量自动分析仪，包含料液单元(1)，膜分离单元(2)，滤液采样单元(3)，浓度分析单元(4)，以及控制、数据采集与计算单元(5)等五部分。其中，料液单元(1)可自动选取基准物溶液作为料液；膜分离单元(2)实现料液的错流过滤并获得滤液；滤液采样单元(3)可自动选取滤液样品；浓度分析单元(4)可测定滤液浓度；控制、数据采集与计算单元(5)控制各单元的自动化运行并实现结果的计算。

技术领域

本专利涉及超滤和纳滤膜截留分子量的检测仪器以及相关操作工艺，用于快速、准确地检测膜过滤与分离材料的截留分子量。

技术背景

超滤膜一般是指孔径在10-100nm的多孔过滤膜，有机超滤膜材料主要聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚醋酸纤维素等高分子材料，无机超滤膜则主要是氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化硅、复合氧化物等陶瓷材料。纳滤膜的孔径一般为0.1-10nm。超滤和纳滤膜在水处理工业中应用广泛，如海水淡化、饮用水净化、废水处理等，还被大量用于化工、医药、食品中的分离过程。随着超滤和纳滤膜的广泛应用和相关产业的快速增长，世界各国都十分重视膜的新生产工艺和新材料的开发，高性能、低成本超滤和纳滤膜的开发与生产已成为行业竞争的热点。无论是膜新材料的开发还是膜生产质量控制都离不开膜分离性能的检测。目前，超滤和纳滤膜过滤性能的评价指标主要有纯水通量、截留分子量(MWCO，Molecular weight cut-off，又称切割分子量)、孔径分布、反冲洗性能、装填面积、Zeta电位等。其中，截留分子量是最能直接反映超滤和纳滤膜截留效果的重要指标，而超滤膜的截留性能通常还可以通过孔径分布来检测。

超滤膜孔径分布的测试方法主要是液液置换法，其他测孔方法如泡点法(又称毛细流动法、泡压法、气液法)、BET法、压汞法、电子显微镜法都不适用或有极大限制。液液置换法与泡点法的基本原理相似，都是先将超滤膜用润湿剂充分润湿，然后用压缩气体或另一种与润湿剂互不相溶的液体将润湿剂顶出并打通膜孔道。其中，孔径越大则需要的开孔压力越小，亦即孔径与开孔压力成反比，根据开孔压力和润湿剂的界面张力就可以计算孔径。由于两种液体之间的界面张力远小于气液界面张力，因此泡点法一般不适宜测量100nm以下的孔径，亦即泡点法一般不适用于超滤膜。尽管从计算公式上来说，只要将测试压力提高10倍就可以测量10nm以下的孔径，但是实际操作中并不可行，其原因在于：高压测试不仅导致密封困难、孔道内气阻高、气体消耗大、测量误差大等问题，而且对样品强度提出很高要求，例如测量10nm孔径所需测试压力至少需要5MPa，这样的高压足以导致样品变形甚至损坏；市面上大部分超滤膜都是柔性的聚合物材料，高压测试时很容易因样品受压变形而导致测试结果失真。针对液液置换法，由于手动操作的重现性差，必须通过专业仪器进行自动化操作，南京高谦功能材料公司开发了国内首台全自动超滤膜孔径分析仪。虽然液液置换法可以测定更小的孔径，但是在测定纳滤膜孔径时仍受到极大限制。

截留分子量法可以检测各种膜(包括纳滤膜)的截留性能，其测试结果与泡点法和液液置换法之间也可以根据实践经验进行相互估算[Calvo J I，Peinador R I，PrádanosP，et al.Liquid-liquid displacement porometry to estimate the molecular weightcut-off of ultrafiltration membranes.Desalination，2011，268268(13)：174-181.]。截留分子量的常规检测方法是：先测定膜对一系列已知分子量基准物质的截留率(即被膜截留的溶质占溶液中该溶质总量的百分率)，然后绘制截留率-分子量关系曲线，当截留率为90％时所对应基准物质的分子量即为该膜的截留分子量。截留分子量测试结果的准确性很大程度上取决于基准物质的选取、检测方法的选用以及截留率值的准确性。