CN105233708A - 一种中空纤维纳滤膜以及生产中空纤维纳滤膜的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中空纤维纳滤膜，包括支撑管、纳米纤维基层以及纳滤分离层。本发明还涉及生产中空纤维纳滤膜的设备，包括纺丝注射器以及针头静电纺丝设备，所述针头静电纺丝设备包括主轴以及滚筒收集器，所述滚筒收集器设置在所述主轴上，所述主轴与外部电源相连接，所述滚筒收集器外部两端的圆周方向上设置有多个均匀分布的静电纺丝针头，所述主轴与外部的电机相连接，所述滚筒收集器在主轴的带动下沿圆周方向转动。本发明的有益效果在于，提供一种中空纤维纳滤膜以及生产该纳滤膜的设备，该设备生产的中空纤维纳滤膜具有高的力学性能、亲水性和透水性。

Description

一种中空纤维纳滤膜以及生产中空纤维纳滤膜的设备

技术领域

本发明涉及一种中空纤维纳滤膜以及生产中空纤维纳滤膜的设备。

背景技术

纳滤膜技术是近年来国内外发展较快的新型膜分离技术。纳滤膜是介于超滤膜和反渗透膜之间的一种以压力驱动的膜。纳滤膜具有纳米级的膜孔径，并且膜上多数情况下带有电荷，所以纳滤膜在运行时可以截留住二价或多价离子和较大分子量的有机物，而允许单价离子通过。因此，基于纳滤膜的独特性能，其广泛应用于废水处理、食品工业、化工医药业和饮用水行业等。

目前大多数商业化的纳滤膜为卷式纳滤膜。卷式膜有抗污染能力差、较难清洗和对进水水质要求高等问题。相比卷式纳滤膜，中空纤维纳滤膜具有处理水量大，膜的比较面积大，可以进行反洗等优点。从而可以有效的提高膜本身的抗污染能力，并延长纳滤膜的使用寿命。从纳滤膜的制备技术方面来说，目前主要有相转化法和复合法、相转化方法是制备的纳滤膜较为简单，但是制备的纳滤膜有耐用性较差，通量较低等问题。

大部分商业化的纳滤膜产品均是通过复合法制备的。复合法的过程包括基膜和分离层的制备。通常，基膜是制备是通过相转化方法，而分离层一般采用界面聚合法来制备。制备的基膜要求有适当的孔径、孔径分布、孔隙率和化学稳定性。一般的中空纤维纳滤膜都是采用复合法进行制备，使得支撑层与分离层之间易发生剥离，并且整体通量较低。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的缺陷，本发明提供一种中空纤维纳滤膜以及生产中空纤维纳滤膜的设备，该设备生产的中空纤维纳滤膜具有高的力学性能、亲水性和透水性。

本发明提供了一种中空纤维纳滤膜，包括支撑管、纳米纤维基层以及纳滤分离层，所述纳米维基层设置在所述支撑管与所述纳滤分离层之间，所述支撑管的外径为0.4～2.3mm，所述支撑管的壁厚为0.1～0.7mm，所述支撑管为无机或有机聚合物材料编织而成的支撑管。

可选的，所述支撑管的无机聚合物材料为蚕丝、铜丝、不锈钢丝、泡沫镍、氧化锆或氧化铝金属筛网中的一种或多种。

可选的，所述支撑管的有机聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚丙烯晴、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇缩甲醛中的一种或多种。

可选的，所述纳米纤维基层的材料为聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚乳酸、聚氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚己内酯、醋酸纤维素、胶原蛋白、聚苯并咪挫、聚丙烯酸铵、聚乙烯咔唑或聚酰亚胺中的一种或多种。

本发明还提供一种生产中空纤维纳滤膜的设备，包括纺丝注射器以及针头静电纺丝设备，所述纺丝注射器设置在所述针头静电纺丝设备的上方，所述针头静电纺丝设备包括主轴以及滚筒收集器，所述滚筒收集器设置在所述主轴上，所述主轴与外部电源相连接，所述滚筒收集器外部两端的圆周方向上设置有多个均匀分布的静电纺丝针头，所述主轴与外部的电机相连接，所述滚筒收集器在主轴的带动下沿圆周方向转动。

可选的，所述针头静电纺丝设备的工作电压为10～100KV。

可选的，所述注射器到所述滚筒收集器的垂直距离为5～60cm。

本发明具有以下优点和有益效果：本发明提供一种中空纤维纳滤膜以及生产中空纤维纳滤膜的设备，该中空纤维纳滤膜采用多层支撑结构制备中空纤维纳滤膜，内部使用高强度支撑管结构作为中空纤维纳滤膜的内部支撑层，在支撑管外层表面，通过静电纺丝方法，制备纳米纤维层作为中空纤维纳滤膜的基层，最后在中空纤维纳滤膜的最外层采用界面聚合方法制备纳滤分离层；这种多层结构在极大的提高了各层之间粘结性的同时，可以有效的提高膜的亲水性和透水量；同时通过静电纺丝方法制备的复合纳米纤维基层可以有效的避免超滤作为基膜所产生的各种问题；由于采用了静电纺丝工艺，制备的纳米纤维基层具有优良的孔隙率，透水量，同时通过静电纺丝工艺制备的复合纳米纤维基层可以有效的避免超滤作为基膜所产生的各种问题；本发明提供的中空纤维纳滤膜性能优良，同时具有优良的亲水性和抗污染能力，通量可以达到40L/m²以上，对一价和二价盐的脱除率分别为>40％和>95％；另外，本发明提供的一种生产中空纤维纳滤膜的设备，该生产中空纤维纳滤膜的设备结构简单，易于操作，适合工业化大规模生产，同时生产效率高，节省了企业的生产成本，进一步提高了企业的市场竞争力。

附图说明

图1为本发明提供的中空纤维纳滤膜的结构示意图；

图2为本发明提供的表面设置有多个支撑管的生产中空纤维纳滤膜的设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至2所示：本发明实施例的一种中空纤维纳滤膜，包括支撑管1、纳米纤维基层2以及纳滤分离层3，所述纳米维基层设置在所述支撑管与所述纳滤分离层之间，所述支撑管的外径为0.4～2.3mm，所述支撑管的壁厚为0.1～0.7mm，所述支撑管为无机或有机聚合物材料编织而成的支撑管，所述支撑管的无机聚合物材料为蚕丝、铜丝、不锈钢丝、泡沫镍、氧化锆或氧化铝金属筛网中的一种或多种，所述支撑管的有机聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚丙烯晴、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇缩甲醛中的一种或多种，所述纳米纤维基层的材料为聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚乳酸、聚氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚己内酯、醋酸纤维素、胶原蛋白、聚苯并咪挫、聚丙烯酸铵、聚乙烯咔唑或聚酰亚胺中的一种或多种。

本发明还提供一种生产中空纤维纳滤膜的设备，包括纺丝注射器200以及针头静电纺丝设备100，所述纺丝注射器200设置在所述针头静电纺丝设备的上方，所述针头静电纺丝设备包括主轴10以及滚筒收集器20，所述滚筒收集器20设置在所述主轴10上，所述主轴与外部电源相连接，所述滚筒收集器外部两端的圆周方向上设置有多个均匀分布的静电纺丝针头30，所述主轴与外部的电机相连接，所述滚筒收集器在主轴的带动下沿圆周方向转动，所述滚筒收集器20的外部圆周方向沿轴向均匀设置有多个所述支撑管，支撑管在滚筒收集器20上完成纺丝工艺，工艺简单且操作效率高，提高了企业的生产效率，进一步增强了企业的竞争力。

作为上述实施例的优选实施方式，所述针头静电纺丝设备的工作电压为10～100KV。

作为上述实施例的优选实施方式，所述注射器到所述滚筒收集器的垂直距离为5～60cm。

本发明还提供本发明还提供一种生产中空纤维纳滤膜的方法，包括以下步骤：S1：在支撑管的外表面涂覆通过静电纺丝工艺制备纳米纤维基层；S2：将外表面复合有纳米纤维基层的支撑管进行离子水冲洗20～40min，之后防置在40～80℃的干燥室内进行干燥处理6～10hrs，完成上述工序后放置于干燥室内备用；S3：将经过步骤S2处理后的支撑管浸入20～25℃的水相单体溶液中60～480s，取出后吸干表层液体，然后浸入25℃的有机相单体溶液60～300s，取出后吸干外表面液体，然后在50～120℃的环境中进行热处理1～30min，最后形成中空纤维纳滤膜。

作为上述实施例的优选实施方式，所述步骤S1中通过静电纺丝工艺制备纳米纤维基层具体包括以下步骤：A1：选择聚合物,将聚合物熔融或者溶于溶剂中，均匀搅拌得到聚合物的熔体或者溶液。所述熔体或者溶液的浓度范围为：5wt％～100wt％；A2：将聚合物纺丝溶液注入到纺丝注射器内，采用针头静电纺丝设备制备纳米纤维层，所述针头静电纺丝设备的工作电压为10～100KV，所述注射器到所述收集器的距离为5～60cm；A3：当使用针头静电纺丝设备时，针头固定并均匀分布在滚筒收集器的外圈。同时，支撑管均匀排布在滚筒型收集器的外圈，与滚动收集器同步旋转并按设定速度前进，而支撑管管本体不进行自转运动，纳米纤维均匀的包裹于支撑管的外表面。

作为上述实施例的优选实施方式，所述溶剂为溶解亲聚合物的溶剂，可为N,N-二甲基甲酰胺、正庚烷、二氯甲烷、三氯甲烷、环己烷、三氟乙酸、甲苯、四氢呋喃、丙酮、二甲基亚砜、水、乙醇、甘油、乙二醇、聚乙二醇、二甲基亚砜、苯酚、酰胺类、三乙醇胺、乙醇铵盐、脲、甲酸或乙酸中的一种或几种。

作为上述实施例的优选实施方式，所述水相单体溶液为多元胺类中的一种溶解于水溶液中形成的水相单体溶液，其中多元胺类包括芳香族和脂肪族两类，所述芳香族包括间苯二胺，对苯二胺，邻苯二胺，均苯三按，4-甲基间苯二胺，间苯二胺-5-磺酸，N,N-二甲基间苯二胺以及聚间氨基苯乙烯，所述脂肪族包括哌嗪，1,4-环己二胺，聚乙烯醇、壳聚糖，聚乙烯胺和多胺基聚氧乙烯。

作为上述实施例的优选实施方式，所述有机相单体溶液为酰氯和异氰酸酯中的一种溶解于烷烃中形成的有机相单体溶液，其中酰氯和异氰酸酯均包括芳香族和脂肪族两类，所述芳香族包括对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、邻苯二甲酰氯,均苯三甲酰氯，甲基间苯二异氰酸酯,5-氧甲酰氯-异酞酰氯,5-异氰酸酯-异酞酰氯和甲基间苯二异氰酸酯，所述脂肪族包括1,3,5-环乙烷三甲酰氯和1,3,4-环戊烷三酰氯。

实施例1

第一步在支撑管1外表面通过静电纺丝方法制备纳米纤维基层：

1、将10g聚乙烯吡咯烷酮溶于100ml乙醇中，得到10％的聚乙烯吡咯烷酮均匀溶液。将溶液加入到注射器中，所述注射器设定推速为9μl/min，注射器距离金色旋转接收筒10cm，在20V直流电压下，亲水纳米纤维被均匀的接受到纵向行进的支撑管上，编织管的纵向行进速度为10cm/min，支撑管本体无进行自转运动；

2、将得到的表面复合有纳米纤维基层2的支撑管1用通过去离子水冲洗20mins,之后放置于40℃的干燥室内6hrs，完成上述工序后放置于干燥室内待用。

第二步在纳米纤维基层2外表面形成纳滤分离层3：

1、配置水相单体溶液和有机相单体溶液：将10g间苯二胺和2g氢氧化钠溶于150g水箱中配置水相单体溶液，取10g间苯二甲酰氯溶于190g正辛烷中配置有机相单体溶液；

2、在纳米纤维基层2外表面进行界面反应制备纳滤分离层3：将上述制得带有纳米纤维基层的支撑管进入25℃的水相单体溶液中60秒，然后对支撑管表面进行吹扫，除去表面多余的水相单体溶液，然后浸入25℃的有机相单体溶液60秒，取出进行吹扫，去除表面多余的有机相单体溶液。之后进入100℃的热处理通道处理1分钟，所述纳米纤维基层2与纳滤分离层3之间以酰胺键链接。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种中空纤维纳滤膜，其特征在于：包括支撑管、纳米纤维基层以及纳滤分离层，所述纳米维基层设置在所述支撑管与所述纳滤分离层之间，所述支撑管的外径为0.4～2.3mm，所述支撑管的壁厚为0.1～0.7mm，所述支撑管为无机或有机聚合物材料编织而成的支撑管。

2.根据权利要求1所述的中空纤维纳滤膜，其特征在于，所述支撑管的无机聚合物材料为蚕丝、铜丝、不锈钢丝、泡沫镍、氧化锆或氧化铝金属筛网中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的中空纤维纳滤膜，其特征在于，所述支撑管的有机聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚丙烯晴、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇缩甲醛中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的中空纤维纳滤膜，其特征在于，所述纳米纤维基层的材料为聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚乳酸、聚氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚己内酯、醋酸纤维素、胶原蛋白、聚苯并咪挫、聚丙烯酸铵、聚乙烯咔唑或聚酰亚胺中的一种或多种。

5.一种生产中空纤维纳滤膜的设备，其特征在于，包括纺丝注射器以及针头静电纺丝设备，所述纺丝注射器设置在所述针头静电纺丝设备的上方，所述针头静电纺丝设备包括主轴以及滚筒收集器，所述滚筒收集器设置在所述主轴上，所述主轴与外部电源相连接，所述滚筒收集器外部两端的圆周方向上设置有多个均匀分布的静电纺丝针头，所述主轴与外部的电机相连接，所述滚筒收集器在主轴的带动下沿圆周方向转动。

6.根据权利要求5所述的生产中空纤维纳滤膜的设备，其特征在于，所述针头静电纺丝设备的工作电压为10～100KV。

7.根据权利要求5所述的生产中空纤维纳滤膜的设备，其特征在于，所述注射器到所述滚筒收集器的垂直距离为5～60cm。