CN108525524B - 一种中空纤维气体分离膜的修复装置 - Google Patents

一种中空纤维气体分离膜的修复装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种中空纤维气体分离膜的修复装置，所述装置包括依次设置的放丝辊、第一液料罐、第二液料罐、固化装置以及收丝辊，所述第一液料罐中装有第一修复液，所述第二液料罐中装有第二修复液。所述装置可连续修复有缺陷的中空纤维膜丝，修复后的中空纤维膜丝可直接浇铸膜组件，大大缩短了工作时间，提高了生产效率，且修复效果得到了明显的改善。

Description

一种中空纤维气体分离膜的修复装置
技术领域
本发明属于膜修复领域，涉及一种中空纤维气体分离膜的修复装置。
背景技术
近年来，膜技术的研究和应用得到迅猛发展。根据膜的形状，可分为平板膜、管式膜和中空纤维膜三种。中空纤维膜制备工艺简单，结构较易控制，而且填充密度大，因此广泛用于液体和气体分离领域。
目前市场上已知的中空纤维气体分离膜主要为有机聚合物膜，材料包括聚砜、聚酰亚胺、聚4-甲基异戊烯等。中空纤维气体分离膜主要通过溶剂致相分离或热致相分离的过程形成，然而在其生产过程中，不可避免的会形成一定的缺陷孔，从而严重影响其分离性能。
1974年，Henis用聚砜中空纤维膜作支撑层，采用抽真空涂覆硅橡胶的方法制得了较完整的气体分离膜，并首先工业化应用于合成氨弛放气中回收氢气。这种膜耐高压，分离系数高，渗透通量大，从此开启了中空纤维膜应用于气体分离的新领域。通过在基膜外面涂覆一定浓度的硅橡胶，也成为了缺陷修复的主要方法。例如周奕亮等在专利CN 1199666中，将涂层材料在10～70℃下预固化1～48小时，涂层时在中空纤维内腔抽真空1～30分钟。US4214020将中空纤维膜丝集束后，整捆放入有机相中，在一定的真空度下完成涂覆工艺。这些方法的共性问题是不能连续性涂覆，而且均需要抽真空。CN 103752181 A公开了一种旋转涂覆设备，主要由膜液储槽、中空纤维膜固定架、轴、连接器和减速电机等部件组成，中空纤维膜固定架为通过不锈钢轴连接的两个布满微孔的圆盘，将膜丝对应上下孔固定在两个圆盘上，然后将中空纤维膜固定架放入膜液储槽内，在缓慢旋转状态下加热，从而将膜液涂覆在中空纤维膜外表面，得到中空纤维复合膜。该装置不需要抽真空，而且可以实现批量膜丝的涂覆，但是产量有限，而且膜丝的组装相当复杂。
与适用于液体分离等的中空纤维膜不同，气体分离膜本身具有致密皮层，其孔径在2～5nm，而基膜材料(如聚砜、聚酰亚胺、聚4甲基异戊烯等)对于气体分离的本征性能更是明显优于Si橡胶。目前的大量复合膜专利多采用中空纤维超滤膜等做基膜，在上面涂覆硅橡胶后，就要求形成完整的硅橡胶膜层，从而保证其分离性能。
实际上最理想的情况是Si橡胶仅进入缺陷孔中。通过堵孔即有效的实现其分离性能的提高，这种情况下，真正起到分离作用的主体仍然是有缺陷的基膜。当Si橡胶分子量偏大，浓度偏高时，很难进入缺陷孔，而是包裹在其表面；而Si橡胶分子量偏小，浓度偏低时，虽然可以进入缺陷孔，但是很难立刻固化，又从缺陷孔中流出。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种中空纤维气体分离膜的修复装置，所述装置可连续修复有缺陷的中空纤维膜丝，修复后的中空纤维膜丝可直接浇铸膜组件，大大缩短了工作时间，提高了生产效率，且修复效果得到了明显的改善。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种中空纤维气体分离膜的修复装置，所述装置包括依次设置的放丝辊、第一液料罐、第二液料罐、固化装置以及收丝辊，所述第一液料罐中装有第一修复液，所述第二液料罐中装有第二修复液。
作为本发明优选的技术方案，所述第一液料罐和第二液料罐分别独立地在靠近收丝辊一侧的侧壁上设置有挤压对辊。
本发明中，所述挤压对辊的间隙可以进行调节。
本发明中，挤压对辊用于把中空纤维膜丝上多余的修复液除去。
作为本发明优选的技术方案，所述第一液料罐和第二液料罐分别独立地在靠近放丝辊一侧的侧壁上设置有膜丝入口。
本发明中，膜丝以一定速度从膜丝入口进入第一液料罐和第二液料罐，膜丝从第一液料罐和第二液料罐中穿过的时候会与修复液接触，接触时修复液进入缺陷孔中或将缺陷覆盖。而液面低于一定高度时，膜丝不能与修复液接触，此时从加料口补充修复液即可。
作为本发明优选的技术方案，所述第一液料罐和第二液料罐分别独立地在侧壁或上壁设置有加料口。
作为本发明优选的技术方案，所述放丝辊和收丝辊分别独立地设置有转轴。
本发明中，所述转轴用于调节放丝辊和收丝辊的转动速度，进而调节中空纤维膜丝的速度。所述中空纤维膜丝的速度为0.1～10m/min，如0.1m/min、0.5m/min、1m/min、2m/min、3m/min、4m/min、5m/min、6m/min、7m/min、8m/min、9m/min或10m/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述固化装置为紫外固化装置或加热固化装置。
作为本发明优选的技术方案，所述第一修复液含有sylgard 184和溶剂。
本发明中，使用的sylgard 184其由基本组分和固化剂组成，固化剂和基本组分的重量比可以是1:(10～20)，该比例可以根据被修复的中空纤维膜丝的具体需要进行调节。
优选地，所述溶剂为环己烷和/正庚烷。
优选地，所述sylgard 184的质量浓度为0.1～3％，如0.1％、0.5％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％或3％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述第二修复液含有分子量5～10万的硅橡胶或聚三甲基-1-丙炔、含氢硅油、催化剂和溶剂。
优选地，所述催化剂为铂催化剂。
优选地，所述第二修复液的溶剂为环己烷和/正庚烷。
优选地，所述分子量5～10万的硅橡胶或聚三甲基-1-丙炔、含氢硅油与催化剂的质量比为(100～200):(10～20):(0.1～1)，如100:10:1、110:11:0.9、120:12:0.8、130:13:0.7、140:14:0.6、150:15:0.5、160:16:0.4、170:17:0.3、180:18:0.2、190:19:0.1或200:20:0.1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二修复液的质量浓度为1～10％，如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述设备可以用于修复中空纤维气体分离膜，所述气体分离膜可以用于空气富氮、空气富氧、天然气脱除二氧化碳、合成气回收氢气以及空气中少量水蒸气的脱除等领域，但并不仅限于上述领域。
其中，所述中空纤维气体分离膜的材料包括但不限于聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯以及聚4-甲基异戊烯等中的任意一种或至少两种的组合。且所述气体分离膜具有致密皮层。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种中空纤维气体分离膜的修复装置，所述装置解决了现有技术中用硅橡胶修复中空纤维气体分离膜时无法连续工作的问题，修复后的中空纤维膜丝可直接浇铸膜组件，大大缩短了工作时间，提高了生产效率，且修复效果得到了明显的改善。
附图说明
图1是本发明提供的中空纤维气体分离膜修复装置的结构示意图。
图中：1-中空纤维膜丝，2-放丝辊，3-转轴，4-第一液料罐，5-挤压对辊，6-进料口，7-第二液料罐，8-固化装置，9-放丝辊。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
本发明具体实施例部分，采用图1所述的装置，所述装置包括依次设置的放丝辊2、第一液料罐4、第二液料罐7、固化装置8以及收丝辊9，所述第一液料罐4中装有第一修复液，所述第二液料罐7中装有第二修复液。所述第一液料罐4和第二液料罐7分别独立地在靠近收丝辊9一侧的侧壁上设置有挤压对辊5。所述第一液料罐4和第二液料罐7分别独立地在靠近放丝辊2一侧的侧壁上设置有膜丝入口。所述第一液料罐4和第二液料罐7分别独立地在侧壁或上壁设置有加料口6。所述放丝辊2和收丝辊9分别独立地设置有转轴3。
所述设备的工作原理为，将待修复的中空纤维气体分离膜丝1缠绕在放丝辊2上，在一定速度下通过第一料液罐4，第一料液罐4中低浓度低分子量的第一修复液容易进入膜丝的缺陷孔中，为避免其从缺陷孔流出，膜丝随后浸入第二料液罐7中高浓度高分子量的第二修复液将进入缺陷孔中的第一修复液封闭在孔中。第一液料罐4和第二液料罐7上设置的挤压对辊可以把多余的修复液除去。然后膜丝经过固化装置8快速干燥固化后，缠绕在收丝辊9上。
本发明具体实施例部分使用的设备的放丝辊2和收丝辊9的直径分别独立地为300mm，转动速度分别独立地为1m/min，第一液料罐4和第二液料罐7上设置的挤压对辊5间的距离为0.3mm，固化装置8为紫外固化装置，其紫外光波长为365nm，加热时间1m/min。
实施例1
选用sylgard 184，其中固化剂和基本组分按照质量比1:20的比例混合后溶于正庚烷，配置质量分数为1％的第一修复液，常温搅拌均匀后加入第一料液罐4中。选用5万分子量的硅橡胶溶于正庚烷，加入含氢硅油和铂催化剂，配置质量分数为1％的第二修复液，常温搅拌均匀后加入第二料液罐7中。运用本发明提供的设备，对聚酰亚胺纺丝得到的中空纤维膜(外径0.28mm，在0.7Mpa下膜丝透空气量0.05m3·h-1·m-2·bar-1，氧气/氮气分离系数4.0)修复后，其透气量为0.02m3·h-1·m-2·bar-1，氧气/氮气分离系数6.5。
实施例2
选用sylgard 184，其中固化剂和基本组分按照质量比1:20的比例混合后溶于环己烷，配置质量分数为0.1％的第一修复液，常温搅拌均匀后加入第一料液罐4中。选用10万分子量的硅橡胶溶于环己烷，加入含氢硅油和铂催化剂，配置质量分数为1％的第二修复液，常温搅拌均匀后加入第二料液罐7中。运用本发明提供的设备，对聚砜纺丝得到的中空纤维膜(外径0.3mm，在0.7Mpa下膜丝透空气量0.1m3·h-1·m-2·bar-1，氧气/氮气分离系数2.0)修复后，其透气量为0.05m3·h-1·m-2·bar-1，氧气/氮气分离系数6.0。
实施例3
选用sylgard 184，其中固化剂和基本组分按照质量比1:20的比例混合后溶于环己烷，配置质量分数为3％的第一修复液，常温搅拌均匀后加入第一料液罐4中。选用聚三甲基-1-丙炔溶于环己烷，加入含氢硅油和铂催化剂，配置质量分数为10％的第二修复液，常温搅拌均匀后加入第二料液罐7中。运用本发明提供的设备，对聚醚纺丝得到的中空纤维膜(外径0.27mm，在0.7Mpa下膜丝透空气量1m3·h-1·m-2·bar-1，氧气/氮气分离系数1.05)修复后，其透气量为0.1m3·h-1·m-2·bar-1，氧气/氮气分离系数3.0。
实施例4
选用sylgard 184，其中固化剂和基本组分按照质量比1:10的比例混合后溶于正庚烷，配置质量分数为3％的第一修复液，常温搅拌均匀后加入第一料液罐4中。选用10万分子量的硅橡胶溶于正庚烷，加入含氢硅油和铂催化剂，配置质量分数为10％的第二修复液，常温搅拌均匀后加入第二料液罐7中。运用本发明提供的设备，对聚砜纺丝得到的中空纤维膜(外径0.3mm，在0.7Mpa下膜丝透空气量8m3·h-1·m-2·bar-1，水蒸气/氮气分离系数10)修复后，其透气量为0.2m3·h-1·m-2·bar-1，水蒸气/氮气分离系数1500。
从实施例1-4可以看出，本发明提供的中空纤维气体分离膜的修复装置对聚酰亚胺、聚醚以及聚砜等修复后，中空纤维气体分离膜的透气量降低，同时膜的气体分离能力提高。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种中空纤维气体分离膜的修复方法，其特征在于，所述修复方法使用的装置包括依次设置的放丝辊(2)、第一液料罐(4)、第二液料罐(7)、固化装置(8)以及收丝辊(9)，所述第一液料罐(4)中装有第一修复液，所述第二液料罐(7)中装有第二修复液；
所述第一液料罐(4)和第二液料罐(7)分别独立地在靠近收丝辊(9)一侧的侧壁上设置有挤压对辊(5)；
所述第一修复液含有sylgard 184和溶剂；
所述第二修复液含有分子量5～10万的硅橡胶、含氢硅油、催化剂和溶剂；
所述第一修复液的浓度和分子量小于所述第二修复液的浓度和分子量；
所述修复方法包括：将待修复的中空纤维气体分离膜丝(1)缠绕在所述放丝辊(2)上，所述分离膜丝通过所述第一液料罐(4)，所述第一液料罐(4)中低浓度低分子量的第一修复液容易进入膜丝的缺陷孔中，为避免所述第一修复液从缺陷孔流出，所述分离膜丝随后浸入所述第二液料罐(7)中高浓度高分子量的第二修复液，将进入缺陷孔中的所述第一修复液封闭在孔中；所述第一液料罐(4)和所述第二液料罐(7)上设置的挤压对辊可以把多余的修复液除去；然后膜丝经过所述固化装置(8)快速干燥固化后，缠绕在所述收丝辊(9)上。
2.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述第一液料罐(4)和第二液料罐(7)分别独立地在靠近放丝辊(2)一侧的侧壁上设置有膜丝入口。
3.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述第一液料罐(4)和第二液料罐(7)分别独立地在侧壁或上壁设置有加料口(6)。
4.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述放丝辊(2)和收丝辊(9)分别独立地设置有转轴(3)。
5.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述固化装置(8)为紫外固化装置或加热固化装置。
6.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述第一修复液含有的溶剂为环己烷和/正庚烷。
7.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述sylgard 184的质量浓度为0.1～3％。
8.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述第二修复液含有的所述催化剂为铂催化剂。
9.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述第二修复液的溶剂为环己烷和/正庚烷。
10.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述分子量5～10万的硅橡胶、含氢硅油与催化剂的质量比为(100～200):(10～20):(0.1～1)。
11.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述第二修复液的质量浓度为1～10％。
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