CN103949166A - 内压式纤维增强滤膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内压式纤维增强滤膜及其制备方法，所述的内压式纤维增强滤膜是在中空编织管内表面涂覆一层高分子铸膜液，在内、外凝固浴液作用下凝固再经水洗而成，采用中空编织管、铸膜液、内凝固芯液共挤出的喷丝板制膜，能实现制膜过程的连续化；所述的高分子铸膜液中含有亲水剂，制备的内压式纤维增强滤膜通量大，抗污染能力强；本发明的内压式纤维增强滤膜过滤精度高，可通过铸膜液的配制和制膜过程的工艺参数来控制该膜的孔结构，错流进水还耐污染，回流比低，产水率高；与普通的内压式滤膜相比，本发明的内压式纤维增强滤膜流道宽不易堵塞，可直接处理高悬浮物含量的料液，降低预处理成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种内压式纤维增强滤膜及其制备方法。
背景技术
中空纤维膜以其装填密度大、不需支撑材料、生产工艺简单等诸多优点被广泛地用于分离技术领域。在中空纤维膜的制备中，主要采用相转化的湿法纺丝、干法纺丝、干-湿法纺丝等成形方法，以及熔融纺丝-拉伸、熔融纺丝-烧结、熔融纺丝-溶出等方法。这些制备方法制得的中空纤维膜已能满足普通的化工分离、富集、提纯和纯水制造等领域对膜强度的要求。但对环境恶劣的污水处理，特别是膜生物反应器(MBR)的应用中，中空纤维膜强度往往不能令人满意。采用热致相分离法制备的中空纤维分离膜强度虽得到了进一步提高，但与人们的期望值或实际需要还有一定的差距。
近年来，开展的增强型中空纤维膜受到了重视，如内支撑中空纤维膜，是在编织管外表面涂覆铸膜液再经凝固成形后处理而成，该膜具有单皮层结构，可作为外压式膜或抽吸式膜使用；纤维增强型中空纤维膜，是采用具有长纤维通道的喷丝头，将长纤维引入纤维通道，经过纤维定位板后，进入铸膜液和纤维复合区，复合后的长纤维和铸膜液共挤出，在芯液和外层凝固浴或冷却浴的作用下成膜或者采用长纤维和铸膜液共挤出的喷丝头，将长纤维从料液罐引出，经过铸膜液管路，从喷丝头铸膜液入口引入进到喷丝头中，经过纤维定位板定位后，长纤维和铸膜液共挤出，在芯液和外层凝固浴的作用下成膜，最后经导轮到卷绕机收卷，该方法制备的膜具有双皮层结构；外支撑增强型中空纤维膜，是采用带有絮状纤维的长丝在中空纤维膜丝的外表面进行编织或者钩编，使其成为带絮状增强中空纤维膜，该方法通过中空纤维膜中网状的支撑体来提高中空纤维膜的强度，防止在高曝气的运行过程中发生断裂，另一方面通过该中空纤维膜中的絮状纤维还可改善滤饼层的结构，从而提高泥水分离效率，但是通过先制备中空纤维膜丝再在其外表面编织网状支撑体的方法使得支撑体与膜丝之间的粘接性能差，在使用过程中会致使支撑体脱落。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种内压式纤维增强滤膜，该膜为单皮层结构，通量大，错流进水耐污染。
本发明的另一目的是提供一种内压式纤维增强滤膜的制备方法，该制备过程采用三通道喷丝板来制膜，方法简单易操作，能实现连续化生产。
本发明的内压式纤维增强滤膜是在中空编织管内表面涂覆一层高分子铸膜液，在内、外凝固浴液作用下凝固再经水洗而成，该制膜过程能实现连续化生产，所述的高分子铸膜液中含有亲水剂，制备的内压式纤维增强滤膜通量大，抗污染能力强，内径为2-8mm，外径为3-10mm。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
1)将一定纤度的纤维经过加工形成中空编织管，将编织管经过张力控制装置穿过三通道喷丝板的最外孔道中；
所述的加工方式为编织机机编、钩编机钩编或缠绕机缠绕中的一种；
2)配制铸膜液：将高分子制膜材料、成孔剂、添加剂、溶剂按以下质量百分比：
在温度为30-90℃的条件下在纺丝釜中均匀混合、溶解、脱泡后得到质量浓度为15-35％的铸膜液；
3)向纺丝釜加压，使铸膜液依次通过过滤器、熔体泵后，进入三通道喷丝板的中间孔道内；
4)配制内凝固芯液：将溶剂与水按质量百分比0-30∶70-100配制内凝固芯液；
5)将步骤4)配制的内凝固芯液加入芯液罐中，然后向芯液罐加压，使芯液通过芯液管从三通道喷丝板的最内道喷出；
6)配制外凝固浴液：将溶剂与水按质量百分比0-30∶70-100配制外凝固浴液；
7)开启加工编织管的机器、纺丝釜、芯液罐和收丝机，调节加工编织管的机器、纺丝釜、芯液罐和收丝机的转速使整套装备稳定运转起来；
8)将编织管、铸膜液、内凝固芯液同时经过喷丝板挤出，经过一定长度的气隙后进入10-40℃的外凝固浴液进行凝固，再经水洗、后处理而收集于收丝轮上即制得内压式纤维增强滤膜。
所述的纤维纤度为30-400dtex；
所述的纤维在机编、钩编或缠绕前要进行捻股，所述的捻股是将同种纤维进行1-5次捻股；
所述的纤维为聚酯纤维、聚酰胺纤维、玻璃纤维、维纶纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维中的一种；
所述的高分子制膜材料为聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈(PAN)中的一种；
所述的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种的混合物；
所述的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)中的一种或两种的混合物，聚乙烯吡咯烷酮型号选自K12、K17、K25、K30、K60、K90，聚乙二醇分子量为200-20000；
所述的添加剂为无水氯化锂、氯化铵、氯化钙、二氧化硅、吐温80、吐温85中的一种或两种的混合物；
所述的气隙条件是：长度为0-15cm，环境为空气、氩气，温度为10-30℃，湿度为30-99％；
所述的编织管的成形速度、铸膜液的挤出速度、内凝固芯液的流速及收丝轮的收丝速度，这四者之间的速度控制是通过制得的内压式纤维增强滤膜的内外径来控制的。
本发明的内压式纤维增强滤膜具有如下优点：
1)在喷丝板的结构上，使得中空编织管、铸膜液、内凝固芯液同时挤出，利于喷丝板的设计还便于生产操作；
2)采用的喷丝板使编织管、铸膜液及内凝固芯液共挤出，制得的膜为单皮层结构，通量大；
3)本发明的制备工艺包括内、外凝固过程，便于纤维增强滤膜的凝固成型，提高其水通量；
4)在铸膜液中加有亲水的成孔剂，膜的亲水性能好，抗污染能力强；
5)本发明的内压式纤维增强滤膜过滤精度高，可通过铸膜液的配制和制膜过程的工艺参数来控制该膜的孔结构，错流进水还耐污染，回流比低，产水率高；
6)本发明的内压式纤维增强滤膜的运行压力低，跨膜压差损失小，能耗非常低；
7)与普通的内压式滤膜相比，本发明的内压式纤维增强滤膜流道宽不易堵塞，可直接处理高悬浮物含量的料液，降低预处理成本。
具体实施方式
实施例1
1)分别称取180g PVDF，30g PVP-K30，10g LiCl，780g DMF置于纺丝釜中，在温度为60℃的条件下均匀混合、溶解、脱泡后得到质量浓度为18％的PVDF铸膜液；
2)分别称取300g DMF，700g水制成内凝固芯液；
3)分别称取200g DMF，800g水制成外凝固液；
4)将纤度为30dtex的聚酯纤维经过2次捻股后以8m/min的速度从线轴拉出通过锭数为32的编织机的导轮引向编织点，编织成中空编织管，将编织管经过张力控制装置穿过三通道喷丝板的最外孔道中；
5)向纺丝釜加压，使铸膜液依次通过过滤器、熔体泵后，进入三通道喷丝板的中间孔道内；
6)向芯液罐加压，使芯液通过芯液管从三通道喷丝板的最内道喷出；
7)开启编织机、纺丝釜、芯液罐和收丝机，调节编织机、纺丝釜、芯液罐和收丝机的转速使整套装备稳定运转起来；
8)将编织管、铸膜液、内凝固芯液同时经过50℃的喷丝板制膜，经过8cm的空气(温度为30℃，湿度为80％)气隙后进入30℃的外凝固浴液进行凝固，再经水洗、后处理而收集于收丝轮上即制得内压式纤维增强滤膜，该膜内径为2mm，外径为3mm。
实施例2
1)分别称取150g PVC，20g PEG200，10g吐温80，820g DMAC置于纺丝釜中，在温度为80℃的条件下均匀混合、溶解、脱泡后得到质量浓度为15％的PVC铸膜液；
2)分别称取100g DMAC，900g水制成内凝固芯液；
3)称取1000g水作为外凝固液；
4)将纤度为75dtex的聚酰胺纤维经过3次捻股后钩编成中空编织管，将编织管经过张力控制装置穿过三通道喷丝板的最外孔道中；
5)向纺丝釜加压，使铸膜液依次通过过滤器、熔体泵后，进入三通道喷丝板的中间孔道内；
6)向芯液罐加压，使芯液通过芯液管从三通道喷丝板的最内道喷出；
7)开启钩编机、纺丝釜、芯液罐和收丝机，调节钩编机、纺丝釜、芯液罐和收丝机的转速使整套装备稳定运转起来；
8)将编织管、铸膜液、内凝固芯液同时经过70℃的喷丝板纺丝，直接进入10℃的外凝固浴液进行凝固，再经水洗、后处理而收集于收丝轮上即制得内压式纤维增强滤膜，该膜内径为5mm，外径为6mm。
实施例3
1)分别称取200g PAN，30g PEG6000，770g DMF置于纺丝釜中，在温度为90℃的条件下均匀混合、溶解、脱泡后得到质量浓度为20％的PAN铸膜液；
2)称取1000g水制成内凝固芯液；
3)分别称取300g DMF，700g水制成外凝固液；
4)将纤度为400dtex的玻璃纤维经过5次捻股后缠绕形成中空编织管，将编织管经过张力控制装置穿过三通道喷丝板的最外孔道中；
5)向纺丝釜加压，使铸膜液依次通过过滤器、熔体泵后，进入三通道喷丝板的中间孔道内；
6)向芯液罐加压，使芯液通过芯液管从三通道喷丝板的最内道喷出；
7)开启缠绕机、纺丝釜、芯液罐和收丝机，调节缠绕机、纺丝釜、芯液罐和收丝机的转速使整套装备稳定运转起来；
8)将编织管、铸膜液、内凝固芯液同时经过80℃的喷丝板挤出，经过15cm的氩气(温度为10℃，湿度为60％)气隙后进入40℃的外凝固浴液进行凝固，再经水洗、后处理而收集于收丝轮上即制得内压式纤维增强滤膜，该膜内径为8mm，外径为10mm。
Claims (10)
1.内压式纤维增强滤膜，其特征在于该膜是在中空编织管内表面涂覆一层高分子铸膜液，在内、外凝固浴液作用下凝固再经水洗而成，采用中空编织管、铸膜液、内凝固芯液共挤出的喷丝板进行制膜，能实现制膜过程的连续化，所述的高分子铸膜液中含有亲水剂，制备的内压式纤维增强滤膜通量大，内径为2-8mm，外径为3-10mm。
2.内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)将一定纤度的纤维经过加工形成中空编织管，将编织管经过张力控制装置穿过三通道喷丝板的最外孔道中；
所述的加工方式为编织机机编、钩编机钩编或缠绕机缠绕中的一种；
2)配制铸膜液：将高分子制膜材料、成孔剂、添加剂、溶剂按以下质量百分比：
在温度为30-90℃的条件下在纺丝釜中均匀混合、溶解、脱泡后得到质量浓度为15-35％的铸膜液；
3)向纺丝釜加压，使铸膜液依次通过过滤器、熔体泵后，进入三通道喷丝板的中间孔道内；
4)配制内凝固芯液：将溶剂与水按质量百分比0-30∶70-100配制内凝固芯液；
5)将步骤4)配制的内凝固芯液加入芯液罐中，然后向芯液罐加压，使芯液通过芯液管从三通道喷丝板的最内道喷出；
6)配制外凝固浴液：将溶剂与水按质量百分比0-30∶70-100配制外凝固浴液；
7)开启加工编织管的机器、纺丝釜、芯液罐和收丝机，调节加工编织管的机器、纺丝釜、芯液罐和收丝机的转速使整套装备稳定运转起来；
所述的编织管的成形速度、铸膜液的挤出速度、内凝固芯液的流速及收丝轮的收丝速度，这四者之间的速度控制是通过制得的内压式纤维增强滤膜的内外径来控制的；
8)将编织管、铸膜液、内凝固芯液同时经过喷丝板挤出，经过一定长度的气隙后进入10-40℃的外凝固浴液进行凝固，再经水洗、后处理而收集于收丝轮上即制得内压式纤维增强滤膜。
3.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的纤维纤度为30-400dtex。
4.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的纤维在机编、钩编或缠绕前要进行捻股，所述的捻股是将同种纤维进行1-5次捻股。
5.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的纤维为聚酯纤维、聚酰胺纤维、玻璃纤维、维纶纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维中的一种。
6.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的高分子制膜材料为聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈(PAN)中的一种。
7.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种的混合物。
8.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)中的一种或两种的混合物，聚乙烯吡咯烷酮型号选自K12、K17、K25、K30、K60、K90，聚乙二醇分子量为200-20000。
9.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的添加剂为无水氯化锂、氯化铵、氯化钙、二氧化硅、吐温80、吐温85中的一种或两种的混合物。
10.根据权利要求2所述的内压式纤维增强滤膜的制备方法，其特征在于步骤8)中所述的气隙条件是：长度为0-15cm，环境为空气、氩气，温度为10-30℃，湿度为30-99％。
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