CN110280135A - 强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置及其制备方法和使用 - Google Patents

Abstract

本发明属于膜分离领域，具体涉及一种强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置及其制备方法和使用。装置包括喷丝头、与所述的喷丝头连通的纺丝料液通道和芯液通道、以及通过导向组件顺序连通的凝固浴槽、水相液槽和油相液槽；所述的纺丝料液通道或者芯液通道之一包括两套独立的供液系统，其中一套供液系统与恒流泵连接实现连续给料，另外一套供液系统与变频柱塞泵连接实现周期性给料。本发明在保持膜丝原有截留率基本不变的前提下，利用待过滤液在波浪形表面所形成的二次流，显著提升了中空纤维纳滤膜的产水通量和抗污染性能，且膜丝表面起伏间距越短产水通量增大的效果越明显，通量衰减越低。

Description

强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置及其制备方法和 使用

技术领域

本发明属于膜分离领域，具体涉及一种强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置及其制备方法和使用。

背景技术

中空纤维膜组件广泛应用于污水处理、金属离子提取、血液透析和海水淡化等诸多传质膜分离过程。所用的中空纤维膜的膜丝多为平直结构，由于使用过程中膜污染和浓差极化问题的存在，严重影响膜组件的分离效率和分离精度，为降低膜污染和浓差极化的影响一般采用增大进水流量、间歇运行、非稳态供液等技术实现。很少有从中空纤维膜本身层面考虑降低浓差极化的措施，中国专利申请号200410046961提供了一种降低膜污染和浓差极化的二次流膜分离方法及装置，将中空纤维膜编织成二次流膜，利用膜内的螺旋冲刷降低膜污染和浓差极化；中国专利申请号201320571055提供了一种缠绕式中空纤维膜蒸馏组件，利用膜丝束中膜丝相互缠绕提升处理效率。

但目前公开的利用编织或者缠绕形式强化传质效率的方法在工业应用过程中，都需要在制备工艺中增加复杂精密的编织设备，另一方面，采用膜内加压过滤的形式，和外压膜相比，膜面积大幅减少，强化传质在膜组件整体上达到的效果能否弥补膜面积减少带来的通量减低还不确定，加之编织设备的的高昂成本投入，更限制了此类技术的推广和应用。

在纳滤和反渗透膜应用领域，虽然有预处理工艺，但膜污染和浓差极化问题却是影响系统运行稳定性和经济效益的关键因素，中空纤维纳滤膜因其具有较高的装填面积和适用反向清洗，在膜分离领域具有广泛的应用前景，在强化中空纤维纳滤膜传质效率的各种措施中，单纯增大供液速度会显著增加系统能耗，间歇运行降低运行效率，非稳态供液需要更为复杂的装置和系统设计，均不能从根本上降低膜污染和浓差极化问题。由此可见，上述技术仍存在诸多不足和缺失之处，实非优良的方案，而亟待加以改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种强化传质效率的中空纤维纳滤膜及其制备方法和使用。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置，包括喷丝头、与所述的喷丝头连通的纺丝料液通道和芯液通道、以及通过导向组件顺序连通的凝固浴槽、水相液槽和油相液槽；所述的纺丝料液通道或者芯液通道之一或者全部包括两套独立的供液系统，其中一套供液系统与恒流泵连接实现连续给料，另外一套供液系统与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

所述的纺丝料液通道包括纺丝料液主通道以及纺丝料液辅助通道；所述的纺丝料液主通道与料液恒流泵连接实现连续给料；所述的纺丝料液辅助通道与料液变频柱塞泵连接实现周期性给料。

所述的芯液通道包括芯液主通道以及芯液辅助通道；所述的芯液主通道与芯液恒流泵连接实现连续给料；所述的芯液辅助通道与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

本发明还包括一种所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置的方法，包括下述步骤：

1)纺丝料液的配置：配置质量浓度为18-3040％的基膜料液；2)超滤基膜的制备：纺丝料液以及芯液分别通过纺丝料液通道以及芯液通道进入喷丝头喷出，形成纳滤基膜；其中，所述的纺丝料液通道或者芯液通道之一包括两套独立的供液系统，其中一套供液系统与恒流泵连接实现连续给料，另外一套供液系统与变频柱塞泵连接实现周期性给料，从而提供波浪状起伏所需的基膜料液或芯液；

3)将步骤2)中的纳滤基膜经凝固浴槽、水相液槽和油相液槽实现凝固、水洗、干燥和界面聚合反应后制成强化传质效率的中空纤维纳滤膜。

优选的，步骤2)中所述的纺丝料液通道或者芯液通道均包括两套独立的供液系统，纺丝料液通道包括纺丝料液主通道以及纺丝料液辅助通道，芯液通道包括芯液主通道以及芯液辅助通道。

纺丝料液辅助通道和芯液辅助通道交替启停，频率范围是小于50Hz。

本发明还包括一种使用所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置的方法得到的中空纤维纳滤膜，表面形成连续高低起伏的波浪式构型。

膜丝表面波浪式构型的起伏间距为5-44mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在保持膜丝原有截留率基本不变的前提下，利用待过滤液在波浪形表面所形成的二次流，显著提升了中空纤维纳滤膜的产水通量和抗污染性能，且膜丝表面起伏间距越短产水通量增大的效果越明显，通量衰减越低。将本发明应用到纳滤膜或反渗透系统中可以显著地提高系统运行效率，降低运行成本，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置示意图；

图2为本发明喷丝头的结构示意图；

图3为对比例中表面平直的中空纤维纳滤膜制备装置示意图；

图4为对比例中喷丝头的结构示意图；

图中：1-纺丝料液主通道，2-纺丝料液辅助通道，3-芯液主通道，4-芯液辅助通道，5-喷丝头，6-凝固浴槽，7-水相液槽，8-油相液槽。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1-2示出一种强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置，包括喷丝头5、与所述的喷丝头连通的纺丝料液通道和芯液通道、以及通过导向组件顺序连通的凝固浴槽6、水相液槽7和油相液槽8；所述的纺丝料液通道或者芯液通道之一或者全部包括两套独立的供液系统，其中一套供液系统与恒流泵连接实现连续给料，另外一套供液系统与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

所述的纺丝料液通道包括纺丝料液主通道1以及纺丝料液辅助通道2；所述的纺丝料液主通道与料液恒流泵连接实现连续给料；所述的纺丝料液辅助通道与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

所述的芯液通道包括芯液主通道3以及芯液辅助通道4；所述的芯液主通道与芯液恒流泵连接实现连续给料；所述的芯液辅助通道与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

实施例1：配置质量浓度为30％的基膜料液；纺丝料液分别由纺丝料液主通道1和纺丝料液辅助通道2进入，芯液由芯液主通道3和芯液辅助通道4进入；设定纺丝料液辅助通道2和芯液辅助通道4交替供料，供料启停频率分别为5Hz、20Hz和50Hz,纺丝料液辅助通道2动作滞后芯液辅助通道半个周期，控制膜丝最大直径范围是1.1-1.2mm，最小直径范围是1.0-1.1mm，内径范围是0.5-0.7mm。纺丝料液在凝固浴槽中形成表面连续起伏的中空纤维超滤膜，之后经由水相液槽7和油相液槽8完成界面聚聚合反应形成表面连续起伏的中空纤维纳滤膜。

实施例2：配置质量浓度为18％的基膜料液；纺丝料液由纺丝料液主通道1进入，纺丝料液辅助通道2默认为关闭状态，芯液由芯液主通道3和芯液辅助通道4进入；设定芯液辅助通道4的启停频率为20Hz，控制膜丝最大直径范围是1.1-1.2mm，最小直径范围是1.0-1.1mm，内径范围是0.5-0.7mm。纺丝料液在凝固浴槽中形成表面连续起伏的中空纤维超滤膜，之后经由水相液槽7和油相液槽8完成界面聚聚合反应形成表面连续起伏的中空纤维纳滤膜。

实施例3：配置质量浓度为25％的基膜料液；纺丝料液分别由纺丝料液主通道1和纺丝料液辅助通道2进入，芯液由芯液主通道3进入；芯液辅助通道4默认为关闭状态，设定料液辅助通道2的启停频率为20Hz，控制膜丝最大直径范围是1.1-1.2mm，最小直径范围是1.0-1.1mm，内径范围是0.5-0.7mm。纺丝料液在凝固浴槽中形成表面连续起伏的中空纤维超滤膜，之后经由水相液槽7和油相液槽8完成界面聚聚合反应形成表面连续起伏的中空纤维纳滤膜。

对比例1：表面平直的中空纤维纳滤膜制备过程，制备装置如图3和图4所示，包括1：纺丝料液通道，3：芯液通道，5：喷丝头，6：凝固浴槽，7：水相液槽，8：油相液槽；

配置质量浓度为30％的基膜料液；纺丝料液由纺丝料液通道1，芯液由芯液通道3进入。控制膜丝最大直径范围是1.1-1.2mm，最小直径范围是1.0-1.1mm内径范围是0.5-0.7mm。纺丝料液在凝固浴槽中形成表面平直的中空纤维超滤膜，之后经由水相液槽7和油相液槽8完场界面聚聚合反应形成中空纤维纳滤膜。(与实施例1相同，除芯液通道以及纺丝料液通道均为单通道外)。

测试结果：

将上述实施例1-3以及对比例1中的中空纤维纳滤膜组件经水洗、干燥等后处理后按照同一标准浇注成2寸中空纤维纳滤膜组件，在操作压力0.5MPa，温度25℃条件下，使用浓度为2.0g/L的MgSO4水溶液，测试单位膜面积m，单位时间t内的产水量Q，得到中空纤维纳滤膜产水通量F＝Q/(t*m)，通过用电导率测试仪测定过滤前后的电导率，计算中空纤维纳滤膜的截留率R＝100％*(原水电导率-产水电导率)/原水电导率。在25℃条件下，以牛血清蛋白作为污染物，使膜组件连续运行600min，控制同样的进水流量和进水压力，记录膜组件的通量衰减变化来评价中空纤维纳滤膜的抗污染性能。表1示出检测结果。

表1

备注：x为无此项内容说明从测试结果可知：和普通平直的中空纤维纳滤膜相比，本发明在保持膜丝原有截留率基本不变的前提下，利用待过滤液在波浪形表面所形成的二次流，显著提升了中空纤维纳滤膜的产水通量和抗污染性能，且膜丝表面起伏间距越短产水通量增大的效果越明显，通量衰减越低。将本发明应用到纳滤膜或反渗透系统中可以显著地提高系统运行效率，降低运行成本，具有广阔的应用前景。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置，其特征在于，包括喷丝头、与所述的喷丝头连通的纺丝料液通道和芯液通道、以及通过导向组件顺序连通的凝固浴槽、水相液槽和油相液槽；所述的纺丝料液通道或者芯液通道之一包括两套独立的供液系统，其中一套供液系统与恒流泵连接实现连续给料，另外一套供液系统与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

2.根据权利要求1所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置，其特征在于，所述的纺丝料液通道包括纺丝料液主通道以及纺丝料液辅助通道；所述的纺丝料液主通道与料液恒流泵连接实现连续给料；所述的纺丝料液辅助通道与料液变频柱塞泵连接实现周期性给料。

3.根据权利要求1所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置，其特征在于，所述的芯液通道包括芯液主通道以及芯液辅助通道；所述的芯液主通道与芯液恒流泵连接实现连续给料；所述的芯液辅助通道与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

4.根据权利要求1所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置，其特征在于，所述的纺丝料液通道以及芯液通道均包括两套独立的供液系统；

所述的纺丝料液通道包括纺丝料液主通道以及纺丝料液辅助通道；所述的纺丝料液主通道与料液恒流泵连接实现连续给料；所述的纺丝料液辅助通道与料液变频柱塞泵连接实现周期性给料；所述的芯液通道包括芯液主通道以及芯液辅助通道；所述的芯液主通道与芯液恒流泵连接实现连续给料；所述的芯液辅助通道与变频柱塞泵连接实现周期性给料。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置的方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)纺丝料液的配置：配置质量浓度为18-30％的基膜料液；

2)超滤基膜的制备：纺丝料液以及芯液分别通过纺丝料液通道以及芯液通道进入喷丝头喷出，形成纳滤基膜；其中，所述的纺丝料液通道或者芯液通道之一包括两套独立的供液系统，其中一套供液系统与恒流泵连接实现连续给料，另外一套供液系统与变频柱塞泵连接实现周期性给料，从而提供波浪状起伏所需的基膜料液或芯液；

3)将步骤2)中的纳滤基膜经凝固浴槽、水相液槽和油相液槽实现凝固、水洗、干燥和界面聚合反应后制成强化传质效率的中空纤维纳滤膜。

6.根据权利要求5所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置的方法，其特征在于，步骤2)中所述的纺丝料液通道或者芯液通道均包括两套独立的供液系统，纺丝料液通道包括纺丝料液主通道以及纺丝料液辅助通道，芯液通道包括芯液主通道以及芯液辅助通道。

7.根据权利要求6所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置的方法，其特征在于，纺丝料液辅助通道和芯液辅助通道交替启停，频率范围是小于50Hz。

8.一种使用权利要求1-4任一项所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜制备装置的方法得到的中空纤维纳滤膜，其特征在于，表面形成连续高低起伏的波浪式构型。

9.根据权利要求8所述的强化传质效率的中空纤维纳滤膜，其特征在于，膜丝表面波浪式构型的起伏间距为5-44mm。