CN107441951A - 一种中空平板膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中空平板膜及其制备方法和应用，该中空平板膜是将铸膜液刮在三维夹芯增强体材料上，再通过凝固、后处理而制得。该膜的制备方法是首先用三维编织机在线编织三维夹芯增强体材料，再配制铸膜液，最后将刮膜机左右两侧的刮刀与三维夹芯增强体材料之间的距离调成等距离，开启平板膜刮膜机，在30～90℃下，将铸膜液同时刮在该三维夹芯增强体材料的两外表面，再凝固成形，水洗、晾干而制得。采用的三维夹芯增强体材料，不但可以作为平板膜的支撑层，还可代替传统平板膜的导流网和ABS支撑板，其夹芯层可作为平板膜的产水流道，还能提高平板膜的强度；本发明的中空平板膜工艺简单，易于实现工业化生产。

Description

一种中空平板膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于平板膜领域，具体地涉及一种中空平板膜及其制备方法和应用。
背景技术
膜分离技术是近三十多年来迅速发展起来的一门高新技术，从结构上分有平板膜、管式膜、卷式膜和中空纤维膜四种，就目前市场应用来说，中空纤维膜和平板膜应用较多。中空纤维膜具有价格便宜，装填密度高等优点，但其易污堵、易断丝，使用寿命一般只有1～3年。平板膜具有使用寿命长，抗污染能力强等优点，其平板膜组件在运行过程中可以通过空气泡带动水从膜片中间向上运动，擦洗膜片，进而可以有效清除膜片上的污染物，使得膜组件可以稳定运行长达6个月以上都不需要反冲洗，只需要定期的简单内面浸泡就可以有效恢复通量。表面上看平板膜组件不存在中空纤维膜断丝问题，也不存在管式膜高运行成本的问题，似乎有着更大的市场空间。然而，在国际市场上，平板膜组件只占总共市场的30%左右，在中国市场上，平板膜组件的市场占有率不到5%，其主要原因是平板膜组件的成本比较高。目前的主要支撑板式采用ABS塑料注塑成型，厚度一般为5～8mm，对于1m2的平板膜单元，重量一般在3公斤左右，该支撑板的成本将占到整体膜组件成本的50%以上，可见成本过高是平板膜组件不能进一步推广应用的瓶颈。
传统的平板膜组件是按平板膜、粗网支撑材料、ABS支撑板、粗网支撑材料的顺序交替组装一起制成，其支撑板的两侧表面有窄缝，其内腔有供透过液流通的通道，支撑板的表面与平板膜相贴，对膜起支撑作用。平板膜组件中的支撑板不仅价格昂贵，且重量重，给实际使用过程带来困难。
迈纳德膜技术有限公司的申请号为200980113265.X，发明名称为“过滤复合材料及其制造方法和由过滤复合材料制成的扁平过滤元件”，公开了一种过滤复合材料（10），其包括一个第一和第二过滤膜（1,5）与一个设置它们之间的排水织物（3）。排水织物（3）和过滤膜（1,5）借助粘接网（2,4）相互层压，所述排水织物（3）和各所述过滤膜（1,5）借助粘接网（2,4）相互层压。其实质是将传统的平板膜借助粘接网与排水织物相连，该方法制作的过滤元件不需用ABS支撑板，节约了使用成本且还减轻了过滤元件的重量，但是过程比较繁琐，且传统平板膜与排水织物之间的粘接性能还需考证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中空平板膜，该平板膜可作为一个平板膜元件使用，其在制作平板膜元件时不需使用ABS支撑板，该平板膜可反冲洗，通量大，膜厚及孔径可调。
本发明的又一目的是提供一种中空平板膜的制备方法，该制备方法简单，流程短，易于实现工业化生产。
本发明的再一目的是提供一种中空平板膜在膜生物反应器中的应用。
本发明的中空平板膜是将铸膜液刮在三维夹芯增强体材料上，再通过凝固、后处理而制得。
本发明的一种中空平板膜的制备方法，该方法至少包括以下步骤：
1）用三维编织机在线编织三维夹芯增强体材料；
2）配制铸膜液：在30～90℃下，将高分子材料、成孔剂、溶剂按照质量比10～40：2～16：44～88混合、搅拌、溶解，过滤，脱泡后制得铸膜液；
3）配制凝固浴液：将非溶剂或者溶剂与非溶剂的组合作为凝固浴液；
4）将刮膜机左右两侧的刮刀与步骤1）制备得到的三维夹芯增强体材料之间的距离调成等距离，再开启平板膜刮膜机，在30～90℃下，将步骤2）制备得到的铸膜液同时刮在该三维夹芯增强体材料的两外表面，在空气中晾1～30s再进入步骤3）制得的凝固浴液中凝固成形或直接进入步骤3）制得的凝固浴液中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的中空平板膜。
所述步骤1）中三维夹芯增强体材料的材料为玻璃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维中的一种，该纤维的纤度为1～500dtex；
所述步骤1）中三维夹芯增强体材料的厚度为0.05～1cm，夹芯层的厚度为0.03～0.09cm；
所述步骤1）中三维夹芯增强体材料的夹芯结构为方形，且从侧面看，每米三维夹芯增强体材料具有150～500个方形结构；
所述步骤2）中高分子材料为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚丙烯腈或聚氯乙烯中的一种；
所述步骤2）中溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种；
所述步骤2）中成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种或者两种的混合物，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；
所述步骤3）中非溶剂为水、乙醇或丙酮中的一种；
所述步骤3）中溶剂与非溶剂的质量百分比为0～45：55～100；
所述步骤4）中距离为0.05～0.2cm；
所述步骤4）中空气的温度为10～40℃，湿度为30～99%；
所述步骤4）中凝固成形温度为20～80℃。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：
1）采用的三维夹芯增强体材料，不但可以作为平板膜的支撑层，还可代替传统平板膜的导流网和ABS支撑板，其夹芯层可作为平板膜的产水流道，还能提高平板膜的强度；
2）本发明使用的三维夹芯增强体材料，可以通过设计夹芯层的结构和数量来调控中空平板膜的通量；
3）本发明制备的中空平板膜可作为一个平板膜元件来使用，减轻传统平板膜组件的重量，降低其成本；
4）使用的溶剂与非溶剂制成凝固浴液，可通过调控溶剂与非溶剂之间的比例及其复配组合来控制铸膜液与凝固浴液之间的扩散速度，从而调控中空平板膜的孔径、孔隙率及其截留性能；
5）本发明的中空平板膜工艺简单，易于实现工业化生产。
具体实施方式
实施例1
1）用纤度为1dtex的聚酯纤维用三维编织机在线编织成三维夹芯增强体聚酯材料，该三维夹芯增强体材料的厚度为0.05cm，夹芯层的厚度为0.03cm；从侧面看，每1m该材料具有150个方形夹芯结构；
2）在80℃，将250g聚偏氟乙烯（分子量为40万），100g聚乙烯吡咯烷酮（K30）和650g二甲基甲酰胺混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为25%聚偏氟乙烯铸膜液；
3）将刮膜机左右两侧的刮刀与步骤1）制备得到的三维夹芯增强体材料之间的距离都调成0.12cm，再开启平板膜刮膜机，在70℃下，将步骤2）制备得到的铸膜液同时刮在步骤1）制得的三维夹芯增强体材料的两外表面，在空气（温度为25℃，湿度为80%）中晾30s再进入20℃的乙醇中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的中空平板膜。
实施例2
1）用纤度为500dtex的玻璃纤维用三维编织机在线编织成三维夹芯增强体玻璃纤维材料，该三维夹芯增强体材料的厚度为1cm，夹芯层的厚度为0.9cm；从侧面看，每1m该材料具有500个方形夹芯结构；
2）在90℃，将400g二醋酸纤维素，160g聚乙二醇600和440g二甲基乙酰胺混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为40%二醋酸纤维素铸膜液；
3）将刮膜机左右两侧的刮刀与步骤1）制备得到的三维夹芯增强体材料之间的距离都调成0.05cm，再开启平板膜刮膜机，在80℃下，将步骤2）制备得到的铸膜液同时刮在步骤1）制得的三维夹芯增强体材料的两外表面，直接进入80℃的水中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的中空平板膜。
实施例3
1）用纤度为250dtex的聚酯纤维用三维编织机在线编织成三维夹芯增强体聚酯材料，该三维夹芯增强体材料的厚度为0.5cm，夹芯层的厚度为0.4cm；从侧面看，每1m该材料具有340个方形夹芯结构；
2）在80℃，将200g聚醚砜，20g聚乙烯吡咯烷酮（K17），30g聚乙二醇1000和750g二甲基甲酰胺混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为20%聚醚砜铸膜液；
3）将刮膜机左右两侧的刮刀与步骤1）制备得到的三维夹芯增强体材料之间的距离都调成0.16cm，再开启平板膜刮膜机，在70℃下，将步骤2）制备得到的铸膜液同时刮在步骤1）制得的三维夹芯增强体材料的两外表面，在空气（温度为70℃，湿度为70%）中晾20s再进入50℃的质量浓度为20%二甲基甲酰胺水溶液中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的中空平板膜。
实施例4
1）用纤度为400dtex的聚酰胺纤维用三维编织机在线编织成三维夹芯增强体聚酰胺材料，该三维夹芯增强体材料的厚度为0.8cm，夹芯层的厚度为0.6cm；从侧面看，每1m该材料具有400个方形夹芯结构；
2）在75℃，将100g聚氯乙烯，30g聚乙烯吡咯烷酮（K90）和870g二甲基甲酰胺混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为10%聚氯乙烯铸膜液；
3）将刮膜机左右两侧的刮刀与步骤1）制备得到的三维夹芯增强体材料之间的距离都调成0.2cm，再开启平板膜刮膜机，在70℃下，将步骤2）制备得到的铸膜液同时刮在步骤1）制得的三维夹芯增强体材料的两外表面，直接进入30℃的乙醇与丙酮（质量百分比1:1）中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的中空平板膜。

Claims (10)

1.一种中空平板膜的制备方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
1）用三维编织机在线编织三维夹芯增强体材料；
2）配制铸膜液：在30～90℃下，将高分子材料、成孔剂、溶剂按照质量比10～40：2～16：44～88混合、搅拌、溶解，过滤，脱泡后制得铸膜液；
3）配制凝固浴液：将非溶剂或者溶剂与非溶剂的组合作为凝固浴液；
4）将刮膜机左右两侧的刮刀与步骤1）制备得到的三维夹芯增强体材料之间的距离调成等距离，再开启自制的平板膜刮膜机，在30～90℃下，将步骤2）制备得到的铸膜液同时刮在该三维夹芯增强体材料的两外表面，在空气中晾1～30s再进入步骤3）制得的凝固浴液中凝固成形或直接进入步骤3）制得的凝固浴液中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的中空平板膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中三维夹芯增强体材料的材料为玻璃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维中的一种，该纤维的纤度为1～500dtex。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中三维夹芯增强体材料的厚度为0.05～1cm，夹芯层的厚度为0.03～0.09cm；其夹芯结构为方形，且从侧面看，每米三维夹芯增强体材料具有150～500个方形结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中高分子材料为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚丙烯腈或聚氯乙烯中的一种；溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种或者两种的混合物，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。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中非溶剂为水、乙醇或丙酮中的一种；溶剂与非溶剂的质量百分比为0～45：55～100。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中距离为0.05～0.2cm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中空气的温度为10～40℃，湿度为30～99%；凝固成形温度为20～80℃。
9.一种由权利要求1～8任一项所述的方法制备得到的中空平板膜。
10.一种中空平板膜在膜生物反应器中的应用。
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