CN101612529A - 一种分离膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种分离膜及其制备方法，是通过首先制备具有纹路的载体层，再在与纹路同侧的载体表面制备均匀涂覆的分离层制得的带纹路的分离膜。本发明的分离膜增加了膜表面纹路的设计，分离过程中，原料液流经分离膜表面时，在这些纹路的影响下产生湍流，进而促进原料液体系内部不稳定流体的流动、强化传质过程，进而减小浓差极化或温差极化的影响；同时，纹路的存在还增大了有效分离面积，提高了分离效率。

Description

一种分离膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种非对称分离膜，尤其涉及其宏观表面结构。

背景技术

膜分离是一项新兴的高效分离技术，在化工、轻工、医药、食品和环境治理领域中广泛应用。该技术应用过程中的一个主要问题是浓差极化、温差极化(特别是针对有相变的分离过程，比如渗透汽化)以及由此造成的膜污染及分离效率的降低。针对这些问题，国内外许多专家和学者结合过程的具体情况，为减少乃至消除浓差极化和膜污染的影响，采取了多种形式的措施和控制方法。其中，加设湍流促进器的方法，即可强化流态的多种障碍物，由于设备简便、方法简单、能耗较低、促湍效果明显，受到越来越广泛的重视。

名称为“附加湍流器强化陶瓷膜微滤过程的研究”(《化工机械》1997年第24卷，第6期，315～318页)和“陶瓷微滤膜处理钛白粉水洗液的过程强化研究”(《高校化学工程学报》1999年10月，第13卷第5期，421～427页)的科技论文以及专利号为00241072.9的中国实用新型专利均对此方法应用作出了详尽的描述和讨论。从这些文献也可以看出，现有技术中通用的方法是添加湍流促进器，并将其放置在主体流中间，以促进湍流的产生。这样的做法虽然可以达减少沉积和消除浓差极化的目的，但仍存在一些问题需要进一步改进，首先，湍流促进器的固定难度较高，尤其是应用于一些空间本身比较狭窄的组件时，若不能稳妥地固定，其晃动可能对分离膜造成损伤；其次，湍流促进器放置在主体流中间，因分离原料物的性质不同，对湍流促进器的材质要求不同，当然往往需要它们可以耐酸、耐碱，甚至需要满足一些非常特别的要求，如此一来，湍流促进器的制造成本很高，难于推广利用。

在当今的以多孔载体为支撑层的复合膜技术领域，具有实用意义的为管状膜，但其突出的缺点是面积-体积比低以及由此而导致的成本较高。目前对此的解决方案主要是开发多通道膜和中孔纤维膜，这两类方案的研发生产成本均较高，组件构建中密封难度很高，很难再广泛的领域取得大规模的应用，因此如果可以通过简便有效的方法提高现有管状膜的有效分离面积，从而提高膜组件的面积-体积比，具有十分重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分离膜，该膜可以在不加设额外装置的前提下，简单有效地解决浓差极化、温差极化等问题，并增加了有效分离面积。

为实现上述目的，本发明提供一种新型的分离膜，该分离膜表面有纹路。本发明中纹路的设计是为了促进膜分离过程中湍流的产生，通过原料液体系内不稳定流体的流动来以强化传质过程，进而减小浓差极化或温差极化的影响。容易理解，任意凹凸结构的纹路均可以不同程度地促使湍流的产生，波纹状、点状突起、线状突起的纹路以及管状分离膜上的螺纹是较常用的纹路结构；借鉴现有技术中对湍流促进器的研究结果，本领域的技术人员通过有限次数的实验即可确定分离膜表面纹路设计的结构参数。

本发明的设计优选地应用于非对称分离膜，此类分离膜包括分离层和载体层，载体层表面有纹路，分离层均匀涂覆于与纹路同侧的载体层表面。在非对称分离膜中应用促湍流纹路的设计，除了上述的强化传质过程、进而减小浓差极化或温差极化的影响的作用以外，还增大了有效膜面积，提高分离效率。为了强化这个作用，本发明的设计更优选的是应用于载体层是仅具有支撑作用而不具有分离作用的多孔载体层，即被分离物质分子在支撑层中传输阻力可忽略。

更优选地，本发明的分离膜是指管状非对称膜管，管状载体层内/外表面有纹路，分离层均匀涂覆于与纹路同侧的载体层表面。其中，所述的载体层优选多孔陶瓷载体或多孔不锈钢载体。

本发明同时还提供了上述分离膜的制备方法，是首先制备具有纹路的载体层，再在与纹路同侧的载体表面制备均匀涂覆的分离层。非常重要的是保证分离层在载体层表面涂覆均匀。

本发明的分离膜增加了膜表面纹路的设计，分离过程中，原料液流经分离膜表面时，在这些纹路的影响下产生湍流，进而促进原料液体系内部不稳定流体的流动、强化传质过程，进而减小浓差极化或温差极化的影响；同时，纹路的存在还增大了有效分离面积、提高分离效率。

附图说明

本发明附图3幅，

图1是实施例1所述的分离膜的结构示意图；

图2是实施例2所述的分离膜的结构示意图；

图3是实施例3所述的分离膜的结构示意图；

图中：1、载体层，2、分离层，3、纹路。

具体实施方式

实施例1

采用流延成形法制备多孔氧化铝陶瓷平板坯膜，在其表面制出线状突起的纹路，经过高温焙烧制得具有纹路的多孔陶瓷载体。采用浓度为6％(wt)的PVA膜液，进行涂膜；静置时间为3min，放空时间为2min；干燥时间为2h，热空气入口温度为55℃，气量为4m³/h；热处理时间为1h，热空气入口温度为140℃，气量为4m³/h，后经马来酸交联，由此制得表面均匀涂覆一层PVA分离层的非对称平板状分离膜。其结构如附图1所示。

以同样方法制备不带纹路的PVA-多孔氧化铝陶瓷分离膜为对照，将上述制得的膜用于醇浓度95％(wt)的乙醇水体系的渗透汽化分离实验，料液温度为65℃，膜后真空度为300Pa。对照组的普通PVA-多孔氧化铝陶瓷分离膜分离系数为65；渗透通量为318g/m²·h；本发明的带纹路的PVA-多孔氧化铝陶瓷分离膜的分离系数为80；渗透通量为360g/m²·h。

实施例2

采用等静压成型法制备外表面具有波纹状纹路的多孔不锈钢坯管，经高温烧结后得到具有纹路的多孔不锈钢载体。以氯化钯为钯源(6g/L)，肼为还原剂(分批加入0.1mol/L)，在60℃下化学镀30小时，即可得到表面均匀涂覆一层钯分离层的非对称管状分离膜。其结构如附图2所示。

以同样方法制备不带波纹的钯-多孔不锈钢管状分离膜，将上述制得的膜用于500℃下H₂/N₂分离实验。对照组的普通钯-多孔不锈钢管状分离膜H₂/N₂选择性为131，H₂通量为90m³/(m².h)本发明的带波纹的钯-多孔不锈钢管状分离膜的H₂/N₂选择性为130，H₂通量为107m³/(m².h)。

实施例3

采用挤出成型法制备外表面具有螺纹状纹路的多孔氧化铝坯管，经高温烧结后得到外表面具有纹路的多孔氧化铝载体。利用微波原位合成技术在该载体外表面均匀涂覆一层NaA型分子筛分离层，具体步骤如下：合成液的摩尔组成为：5SiO₂∶Al₂O₃∶50Na₂O∶1000H₂O。在微波加热合成前，将放有陶瓷载体和合成液的反应釜放入烘箱中于50℃老化7小时，然后置于微波炉(工作频率：2450MHz)中进行晶化，60秒内迅速升温至90℃，然后在90℃保持25分钟。合成完毕后，分子筛膜用去离子水洗涤至中性并于90℃烘干过夜。其结构如附图3所示。

以同样方法制备不带螺纹的NaA型分子筛-多孔氧化铝管状分离膜，将上述制得的膜用于醇浓度95％(wt)的乙醇水体系的渗透汽化分离实验，料液温度为65℃，膜后真空度为300Pa。对照组的无螺纹的NaA型分子筛-多孔氧化铝管状分离膜的分离系数为5300；渗透通量为1030g/m²·h；本发明的带螺纹状纹路的NaA型分子筛-多孔氧化铝管状分离膜的分离系数为8000；渗透通量为1250g/m²·h。

Claims (6)

1、一种分离膜，其特征在于该分离膜表面有纹路。

2、根据权利要求1所述的分离膜，其特征在于该分离膜为非对称分离膜，包括分离层和载体层，载体层表面有纹路，分离层均匀涂覆于与纹路同侧的载体层表面。

3、根据权利要求2所述的分离膜，其特征在于所述的载体层是仅具有支撑作用而不具有分离作用的多孔载体层。

4、根据权利要求1～3中任一权利要求所述的分离膜，其特征在于该分离膜为管状非对称膜管，管状载体层内/外表面有纹路，分离层均匀涂覆于与纹路同侧的载体层表面。

5、根据权利要求4所述的分离膜，其特征在于所述的载体层为多孔陶瓷载体层或多孔不锈钢载体层。

6、权利要求2所述的分离膜的制备方法，是首先制备具有纹路的载体层，再在与纹路同侧的载体表面制备均匀涂覆的分离层。

Images