CN102068917A - 一种双层中空纤维纳滤膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层中空纤维纳滤膜及其制备方法，所述双层中空纤维纳滤膜包括相互嵌套的多孔纤维外层和内壁多孔外壁致密的纤维内层，其中，所述纤维外层是由高分子多孔材料组成；所述纤维内层是由高分子材料及无机小分子添加剂组成。通过将纤维外层以及纤维内层材料配制成溶液后，进行同轴挤出，再依次经水浴、滚筒接收以及后处理，得到本发明的双层中空纤维纳滤膜，相对于传统单层空心纤维膜而言，具有更高的比表面积，提高膜通量；本身具备力学支撑性能，可以反复使用，且灵活性好，另外，本发明的制备方法可有效降低材料浪费，节约成本，且避免了复杂的后处理过程，更加高效。

Description

一种双层中空纤维纳滤膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳滤膜及其制备方法，更具体地，是一种双层中空纤维纳滤膜及其制备方法。

背景技术

纳滤，是指以压力差为推动力，介于反渗透和超滤之间的截留水中粒径为纳米级颗粒物的一种膜分离技术；亦指用表面孔径为纳米级的半透膜脱除以二价离子为主的盐类和相对分子质量数百以上的大多数有机物的过程。纳滤分离作为一项新型的膜分离技术，技术原理近似机械筛分，但纳滤膜本体带有电荷性，这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。纳滤分离是一种绿色水处理技术，在某些方面可以替代传统费用高、工艺繁琐的污水处理工艺，以其特殊的分离性能，以及对色度、硬度和异味的良好去除能力，且操作压力低、水通量大，已成功地应用于电子、食品、医药、化学、石油化工、海水净化、污水处理以及试剂纯化等行业，但在纳滤膜的制备、表征和分离方面，还有大量的技术问题需要解决，尚需要开发廉价而性能优良的膜，并能提供各种准确的膜性能参数，这些都是纳滤技术在应用中的关键。

目前，制备纳滤膜最简便的方法主要有两种：一种是利用醋酸纤维或其他常见高分子材料发生相转变形成完全不对称的膜，这种方法简单、易操作且低成本，但是往往截留率和通量都达不到；另一种方法是先制备复合薄膜，再采用界面聚合、涂覆或者是化学改性的方法制膜，然后放置在一层比较厚、多孔且非选择性的支架材料上，通过调整各种操作参数，在特定条件下制备出非对称的通量高且截留率好的纳滤膜，然而，将高通量的复合膜用于纳滤，成本高且产率低，远远满足不了市场需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种比表面积大、灵活性高且可反复使用的双层中空纤维纳滤膜及其制备方法。

本发明是通过如下技术手段实现的：针对同轴挤出能实现一步成型双层结构的特点，通过将相应的材料置于不同层内，进行同轴挤出后接收，再经后处理得到所述双层中空纤维纳滤膜，具有比表面积大、通量高、可反复使用以及灵活性高的特点，且制备过程简单，显著降低了材料浪费，节约了成本，同时，也避免了复杂的后处理过程。

本发明的双层中空纤维纳滤膜，包括相互嵌套的多孔纤维外层和内壁多孔外壁致密的纤维内层，其中，所述纤维外层是由高分子多孔材料组成；所述纤维内层是由高分子材料及无机小分子添加剂组成。

优选地，所述纤维外层占总质量百分比的15～25％，所述纤维内层占总质量百分比的75～85％。

选择性地，本发明的双层中空纤维纳滤膜中的纤维外层的高分子多孔材料选自但不限于重均分子量为5～10万的聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺中的一种。

优选地，本发明的双层中空纤维纳滤膜中的纤维内层的高分子材料为重均分子量为12～14万的醋酸纤维。

本发明的双层中空纤维纳滤膜中的无机小分子添加剂选自MgCl₂、Mg(ClO₄)₂、MgSO₄中的一种。

本发明的制备双层中空纤维纳滤膜的方法，包括如下步骤：

(1)配制纤维层溶液：将纤维外层高分子材料在60～80℃下溶解于溶剂中，得到质量百分浓度为20～30％的纤维外层预溶液；将纤维内层高分子材料于常温下溶解于溶剂中，得到质量百分浓度为10～20％的纤维内层预溶液；将所得预溶液搅拌16～30小时后静置2～3天，然后在纤维外层预溶液中加入重量比为8～12％的有机小分子添加剂，得到纤维外层溶液；在纤维内层预溶液中加入重量比为1～2％的无机小分子添加剂，得到纤维内层溶液；

(2)同轴挤出成型：将上述纤维外层溶液和纤维内层溶液分别加入同轴三孔喷丝头中的外层和次外层，中心层通空气，进行同轴挤出，其中具体操作参数如下：流体前的组成成分及质量比为N-甲基吡咯烷酮/水＝60/40～85/15，流速为1.0～2.0mL/min；外层流体流速为0.4～0.6mL/min；次外层流体流速为2.5～3.5mL/min；外层针孔温度为45～55℃；次外层针孔温度为20～30℃；

(3)接收：将同轴三孔喷丝头中挤压成型的材料先通过一端2～3cm的空气后，然后进入水浴，最后由滚筒以10～20m/min的接收速度接收，得到粗膜；

(4)后处理：将上述粗膜在水中浸泡2～5天后再浸泡在质量百分浓度为35～45％的丙三醇/水溶液中1～3天，取出后在室温空气中晾干即得双层中空纤维纳滤膜。

按照本发明制备双层中空纤维纳滤膜，实现了一步成型，有效提高了生产效率及产品质量，并显著降低了材料浪费，从而节约了生产成本；有效避免了复杂的后期处理过程，简化了处理工艺；通过选择具有不同高性能的功能材料可增加或改善膜的性能。利用本发明的方法制备的双层中空纤维纳滤膜，具有很高的比表面积，有利于提高通量；膜本身具备理学支撑性能，在液体分离中可以反复使用，从而节约了使用成本；另外，所述双层中空纤维纳滤膜具有良好的灵活性，且在加工和操作过程中容易实现，可广泛应用于电子、食品、医药、化学、石油化工、海水净化、污水处理以及试剂纯化等行业。

具体实施方式

以下描述本发明的优选实施方式，但并非用以限定本发明。

实施例1：

按照如下方法制备双层中空纤维纳滤膜：

(1)配制纤维层溶液：将聚酰胺-酰亚胺在70℃下溶解于N-甲基吡咯烷酮中，得到质量百分浓度为27％的纤维外层预溶液；将醋酸纤维于常温下溶解于N-甲基吡咯烷酮中，得到质量百分浓度为16％的纤维内层预溶液；将所得预溶液搅拌24小时后静置2天，然后在纤维外层预溶液中加入重量比为10％的甲醇，得到纤维外层溶液；在纤维内层预溶液中加入重量比为1.5％的Mg(ClO₄)₂，得到纤维内层溶液；

(2)同轴挤出成型：将上述纤维外层溶液和纤维内层溶液分别加入同轴三孔喷丝头中的外层和次外层，中心层通空气，进行同轴挤出，其中具体操作参数如下：流体前的组成成分及质量比为N-甲基吡咯烷酮/水＝70/30，流速为1.5mL/min；外层流体流速为0.5mL/min；次外层流体流速为3.0mL/min；外层针孔温度为50℃；次外层针孔温度为25℃；

(3)接收：将同轴三孔喷丝头中挤压成型的材料先通过一端2.5cm的空气后，然后进入水浴，最后由滚筒以15m/min的接收速度接收，得到粗膜；

(4)后处理：将上述粗膜在水中浸泡3天后再浸泡在质量百分浓度为40％丙三醇/水溶液中2天，取出后在室温空气中晾干即得双层中空纤维纳滤膜。

按照本实施例制备的双层中空纤维纳滤膜，对二价阳离子的截留率＞96.9％，平均有效孔径为0.63nm，水通量为11.93L/m^-2/bar/h。

实践证明，本发明的双层中空纤维纳滤膜具有高比表面积，从而实现了高水通量；对相应离子的截留率高，实现了有效分离；另外，制备工艺简单，易于操作，且有效避免了材料的浪费以及复杂的后处理过程，从而有效控制了生产成本、提高了生产效率。

Claims (5)

1.一种双层中空纤维纳滤膜，其特征在于，包括相互嵌套的多孔纤维外层和内壁多孔外壁致密的纤维内层，其中，所述纤维外层是由高分子多孔材料组成；所述纤维内层是由高分子材料及无机小分子添加剂组成。

2.根据权利要求1所述的双层中空纤维纳滤膜，其特征在于，所述纤维外层的高分子多孔材料选自重均分子量为5～10万的聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺中的一种。

3.根据权利要求1所述的双层中空纤维纳滤膜，其特征在于，所述纤维内层的高分子材料为重均分子量为12～14万的醋酸纤维。

4.根据权利要求1所述的双层中空纤维纳滤膜，其特征在于，所述无机小分子添加剂选自MgCl₂、Mg(ClO₄)₂、MgSO₄中的一种。

5.一种制备权利要求1所述的双层中空纤维纳滤膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)配制纤维层溶液：将纤维外层高分子材料在60～80℃下溶解于溶剂中，得到质量百分浓度为20～30％的纤维外层预溶液；将纤维内层高分子材料于常温下溶解于溶剂中，得到质量百分浓度为10～20％的纤维内层预溶液；将所得预溶液搅拌16～30小时后静置2～3天，然后在纤维外层预溶液中加入重量比为8～12％的有机小分子添加剂，得到纤维外层溶液；在纤维内层预溶液中加入重量比为1～2％的无机小分子添加剂，得到纤维内层溶液；

(2)同轴挤出成型：将上述纤维外层溶液和纤维内层溶液分别加入同轴三孔喷丝头中的外层和次外层，中心层通空气，进行同轴挤出，其中具体操作参数如下：流体前的组成成分及质量比为N-甲基吡咯烷酮/水＝60/40～85/15，流速为1.0～2.0mL/min；外层流体流速为0.4～0.6mL/min；次外层流体流速为2.5～3.5mL/min；外层针孔温度为45～55℃；次外层针孔温度为20～30℃；

(3)接收：将同轴三孔喷丝头中挤压成型的材料先通过一端2～3cm的空气后，然后进入水浴，最后由滚筒以10～20m/min的接收速度接收，得到粗膜；

(4)后处理：将上述粗膜在水中浸泡2～5天后再浸泡在质量百分浓度为35～45％的丙三醇/水溶液中1～3天，取出后在室温空气中晾干即得双层中空纤维纳滤膜。