CN107497304B - 复合过滤膜材料及其制备方法和应用 - Google Patents

复合过滤膜材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合过滤膜材料及其制备方法和应用，该复合过滤膜材料含有三层结构，其中上、下两层为过滤层，中间层为支撑层，该过滤层为瓦楞形状，支撑层为平板状，过滤层和支撑层材料一起经喷丝板挤出成膜而制得。三层结构膜材料是本发明首创，采用3～10层无纺布卷制成板作为支撑层材料，强度大，其可代替传统平板膜元件的导流网和ABS支撑板，减轻膜元件重量，降低其成本；过滤层为瓦楞形状，过滤面积的增大提高水处理通量，进而提高污水处理效率，降低过滤膜材料的使用成本；该复合过滤膜厚度可控，厚度为0.5～1.8mm，孔径为0.005～0.4μm；本发明的复合过滤膜材料可用于膜生物反应器中。

Description

复合过滤膜材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子膜材料领域，具体地涉及一种复合过滤膜材料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。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。相比于中空纤维膜，平板膜具有更好的抗污染性能、良好的机械稳定性、无断丝现象、清洗方法更加便捷，清洗周期更长、寿命长，运行费用低、膜片更换过程简单等优势，已逐渐广泛地被环境保护工作者和爱护环境人士认识、认知和在相关行业污水处理中应用。
中空纤维帘式膜组件是将中空纤维膜丝用密封胶浇注在膜壳中，在使用过程中会因为膜丝强度低而断裂，进而影响使用。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。其支撑板采用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。
多年来，膜科技工作者在试着改进中空纤维膜和平板膜的结构和性能以提高其使用价值，如内支撑增强型中空纤维膜，中空式平板膜等，这些方法在一定程度上提高了中空纤维膜的强度或降低了平板膜的使用成本。但还未见报道一种复合过滤膜材料，具有强度高，抗污染能力强，使用寿命长、可以反冲洗等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合过滤膜材料，该复合过滤膜材料是一种新型的过滤膜材料，不同于现有的中空纤维膜和平板膜。
本发明的又一目的是提供一种复合过滤膜材料的制备方法，该方法采用一次挤出成型工艺，流程短，简单易于实现工业化生产。
本发明的再一目的是提供一种复合过滤膜材料在膜生物反应器中的应用。
本发明的复合过滤膜材料是由过滤层和支撑层组成，含有三层结构，其中上、下两层为过滤层，中间层为支撑层，该过滤层为瓦楞形状，支撑层为平板状，过滤层和支撑层材料一起经喷丝板挤出成膜而制得。
本发明的复合过滤膜材料的制备方法，该方法至少包括以下步骤：
1）制备支撑层材料：将3～10层无纺布，经加热，使无纺布上的热熔胶熔融制备而成；
2）配制铸膜液：在40～90℃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：将溶剂与水按质量百分比0～45：55～100配制凝固浴液；
4）将步骤1）制得的支撑层材料与步骤2）制得的铸膜液同时经过喷丝板挤出，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复合过滤膜材料。
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、二甲基亚砜或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4）中喷丝板为双层流道结构，一层为支撑层材料的流道，另一层为铸膜液流道，其中，另一层内的流道结构为瓦楞形状；
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℃，时间为1～20min。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：
1）本发明的复合过滤膜材料含有三层结构，三层结构膜材料是本发明首创，采用3～10层无纺布卷制成板作为支撑层材料，可以做的很薄，强度还大，其可代替传统平板膜元件的导流网和ABS支撑板；
2）本发明制备的复合过滤膜材料可作为一个平板膜元件来使用，减轻传统平板膜元件的重量，降低其成本；
3）本发明的过滤层为瓦楞形状，相比于传统的平板膜，过滤面积的增大提高了水处理通量，进而提高污水处理效率，降低过滤膜材料的使用成本；
4）本发明的复合过滤膜厚度可控，厚度为0.5～1.8mm，孔径为0.005～0.4μm；
5）本发明的复合过滤膜材料工艺简单，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明所制备的复合过滤膜材料的截面示意图；
其中：1—支撑层；2—过滤层；3—过滤层。
具体实施方式
实施例1
1）将3层无纺布，经加热，使无纺布上的热熔胶熔融制成支撑层材料；
2）在80℃，将200g聚偏氟乙烯，40g聚乙烯吡咯烷酮（K17）和760g二甲基乙酰胺混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为20%聚偏氟乙烯铸膜液；
3）在60℃下，将步骤1）制得的支撑层材料与步骤2）制得的铸膜液同时经过喷丝板挤出，直接进入20℃的水中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的复合过滤膜材料，该复合过滤膜材料的厚度为0.5mm，孔径为0.15μm。
实施例2
1）将5层无纺布，经加热，使无纺布上的热熔胶熔融制成支撑层材料；
2）在90℃，将400g聚砜，160g聚乙二醇1000和440g二甲基甲酰胺混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为40%聚砜铸膜液；
3）在80℃下，将步骤1）制得的支撑层材料与步骤2）制得的铸膜液同时经过喷丝板挤出，在空气（温度为80℃，湿度为80%）中晾30s直接进入80℃的质量浓度为45%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复合过滤膜材料，该复合过滤膜材料的厚度为1mm，孔径为0.005μm。
实施例3
1）将7层无纺布，经加热，使无纺布上的热熔胶熔融制成支撑层材料；
2）在85℃，将150g聚丙烯腈，20g聚乙烯吡咯烷酮（K17），30g聚乙烯吡咯烷酮（K30）和800g二甲基亚砜混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为15%聚丙烯腈铸膜液；
3）在70℃下，将步骤1）制得的支撑层材料与步骤2）制得的铸膜液同时经过喷丝板挤出，在空气（温度为24℃，湿度为90%）中晾1s再进入40℃的质量浓度为20%二甲基亚砜水溶液中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的复合过滤膜材料，该复合过滤膜材料的厚度为1.3mm，孔径为0.26μm。
实施例4
1）将10层无纺布，经加热，使无纺布上的热熔胶熔融制成支撑层材料；
2）在70℃，将100g聚氯乙烯，10g聚乙二醇600和20g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）在60℃下，将步骤1）制得的支撑层材料与步骤2）制备得到的铸膜液同时经过喷丝板挤出，直接进入70℃的质量浓度为5%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复合过滤膜材料，该复合过滤膜材料的厚度为1.8mm，孔径为0.4μm。
实施例5
1）将4层无纺布，经加热，使无纺布上的热熔胶熔融制成支撑层材料；
2）在85℃，将300g聚醚砜，12g聚乙烯吡咯烷酮（K30），3g聚乙二醇200和685g N-甲基吡咯烷酮混合、溶解、过滤、脱泡后制得质量浓度为30%聚醚砜铸膜液；
3）在75℃下，将步骤1）制得的支撑层材料与步骤2）制备得到的铸膜液同时经过喷丝板挤出，直接进入55℃的质量浓度为30%N-甲基吡咯烷酮水溶液中凝固成形，水洗、晾干而制得本发明的复合过滤膜材料，该复合过滤膜材料的厚度为0.8mm，孔径为0.04μm。

Claims (8)

1.复合过滤膜材料，包括过滤层和支撑层，其特征在于，含有三层结构，其中上、下两层为过滤层，中间层为支撑层，该过滤层为瓦楞形状，支撑层为平板状，过滤层和支撑层材料一起经喷丝板挤出成膜而制得；所述支撑层材料为3～10层无纺布卷制成的板。
2.复合过滤膜材料的制备方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
1)制备支撑层材料：将3～10层无纺布，经加热，使无纺布上的热熔胶熔融制备而成；
2)配制铸膜液：在40～90℃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：将溶剂与水按质量百分比0～45：55～100配制凝固浴液；
4)将步骤1)制得的支撑层材料与步骤2)制得的铸膜液同时经过喷丝板挤出，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、晾干而制得复合过滤膜材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，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。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，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、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的一种。
5.根据权利要求2所述的制备方法，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或K90，聚乙二醇分子量为200-20000。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中喷丝板为双层流道结构，一层为支撑层材料的流道，另一层为铸膜液流道，其中，另一层内的流道结构为瓦楞形状。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中空气的温度为10～40℃，湿度为30～99％。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中凝固成形温度为20～80℃，时间为1～20min。
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