CN110917878B - 一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法 - Google Patents

一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，包括(1)将纤维长丝加捻成S捻纱或Z捻纱，得到加捻纱线；(2)CTA分离层成膜体系的制备；(3)反渗透基膜的制备；(4)将粘合剂与GO均匀分散于溶剂中，得到超薄GO外分离层成膜体系；(5)将步骤3)得到的反渗透基膜与步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜的外表面，然后固化成膜。本方法在基膜外表面构建超薄GO外分离层，提高水分子在膜中溶解扩散效率，以克服膜trade‑off效应，反渗透膜具有高渗透通量和高脱盐率。而且GO直接嵌在基膜外表面，形成水分子通道，不易在外力下脱落，延长了反渗透膜的使用寿命。

Description

一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法
技术领域
本发明涉及中空纤维膜领域，具体是一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法。
背景技术
反渗透膜技术因能耗低、操作简便、无二次污染及占地面积小等优点，在苦咸水及海水脱盐、再生水回用及工业废水处理领域得到广泛应用。目前，商用反渗透膜主要包括经界面聚合而成的芳香聚酰胺类卷式反渗透膜及熔融纺丝法三醋酸纤维素中空纤维反渗透膜。与卷式膜相比，中空纤维膜具有自支撑结构，组件制备工艺简单，放大效应小，在单位体积内可提供更大的膜面积，堆积密度大，预处理和维护更为简单，是反渗透未来发展方向之一。
三醋酸纤维素(CTA)原料来源广泛、价格低廉，无毒且耐氯性好，可应用于连续加氯去除含微生物较多的水处理过程。但CTA在中高压操作时易被压实，目前，常采用编织管或加捻纱线增强CTA中空纤维膜。例如，申请号201710796182.1的文献公开了一种耐压型中空纤维反渗透膜及其制备方法，该方法通过中空编织管作为增强体以提高CTA中空纤维反渗透膜耐压实性。申请号201810309499.2的文献公开了一种纤维增强型三醋酸纤维素反渗透膜及其制备方法，该方法通过加捻纱线作为增强体，进一步提高其耐压实性。以上方法所得到中空纤维反渗透膜虽然提高了膜的耐压实性，但仍未克服三醋酸纤维素中空纤维反渗透膜存在“trade-off”效应，即渗透通量增大脱盐率减小的缺点。
氧化石墨烯(GO)是石墨烯的一种衍生物，因其表面含有丰富的含氧基团而表现出优异的亲水性，常作为无机添加剂或在膜表面堆叠形成层状排列GO膜，可以有效解决膜强度、膜污染、膜通量和截留率等问题。
目前，CTA中空纤维反渗透膜的大多采用掺杂GO以改善膜渗透通量或脱盐率，但只是单一增加膜渗透通量或脱盐率，一般情况下，增加GO掺杂量会提高膜渗透通量，降低膜脱盐率。因此，如何同时提高CTA中空纤维反渗透膜的渗透通量和脱盐率是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)加捻纱线的制备：将纤维长丝加捻成S捻纱或Z捻纱，得到加捻纱线；
(2)CTA分离层成膜体系的制备：将CTA、增塑剂和添加剂共混得到CTA分离层成膜体系；CTA：增塑剂：添加剂的质量比为3-6:2-5:1-3；
(3)反渗透基膜的制备：将步骤2)得到的成膜体系经螺杆挤出机熔融挤出并通过环形喷丝头将熔体均匀涂覆于步骤1)得到的加捻纱线的外表面，再牵伸至凝固浴A中冷却成型，得到纤维增强型CTA反渗透基膜；
(4)超薄GO外分离层成膜体系的制备：将粘合剂与GO均匀分散于溶剂中，得到超薄GO外分离层成膜体系；粘合剂：溶剂：GO的质量比为5-20:85-89:0.1-10；
(5)反渗透膜的制备：采用同心圆涂覆纺丝工艺，将步骤3)得到的反渗透基膜与步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，以围绕圆形喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜的外表面，然后牵伸至凝固浴B中固化成膜，再除去溶剂，得到GO沿牵引方向均匀排列的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本方法在基膜外表面构建超薄GO外分离层，提高水分子在膜中溶解扩散效率，以克服膜“trade-off”效应，该反渗透膜具有良好的热稳定性和高渗透通量，且该反渗透膜的脱盐率也出现明显提高。而且GO直接嵌在基膜外表面，形成水分子通道，不易在中高压操作或水流较大等外力下脱落，极大地延长了所制得的反渗透膜的使用寿命。
(2)采用湿法纺丝经过滤后用泵打入喷丝头，以围绕喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，经凝固浴成膜的过程避免了GO难以贴合到反渗透基膜表面的缺陷，形成了内部反渗透基膜与外部涂敷体系的结合界面，相比于其他成膜方式，简化了步骤，减少了对环境的污染。
附图说明
图1为本发明实施例1的反渗透膜的电镜形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)加捻纱线的制备：采用环锭细纱机将纤维长丝加捻成S捻纱或Z捻纱，形成纤维束通道结构，并以该加捻纱线作为反渗透膜的增强层；
所述纤维长丝采用耐高温纤维(在较长时间经受180℃以上温度能保持其原有的物理机械性能的纤维)，具体是聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或聚丙烯纤维中的至少一种；
(2)CTA分离层成膜体系的制备：将CTA、增塑剂和添加剂在密闭高速混料机中共混得到CTA分离层成膜体系；CTA：增塑剂：添加剂的质量比为3-6:2-5:1-3；
所述增塑剂为环丁砜；所述添加剂为乙二醇、聚乙二醇-200、苯甲酸或马来酸中的至少一种；
(3)反渗透基膜的制备：将步骤2)得到的成膜体系经螺杆挤出机熔融挤出并通过环形喷丝头将熔体均匀涂覆于步骤1)得到的加捻纱线的外表面，再牵伸至凝固浴A中冷却成型，得到纤维增强型CTA反渗透基膜；
所述凝固浴A由环丁砜、乙二醇或聚乙二醇-200与水构成；其中，环丁砜：乙二醇或聚乙二醇-200：水的质量比为30-40:5-6:55-65，优选30:5:65；
所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。
(4)超薄GO外分离层成膜体系的制备：将粘合剂与GO均匀分散于溶剂中混合均匀，得到超薄GO外分离层成膜体系；粘合剂：溶剂：GO的质量比为5-20:85-89:0.1-10；优选粘合剂：溶剂：GO的质量比为5-20:85-89:1-10；
所述粘合剂为二醋酸纤维素或CTA；溶剂为N-甲基二吡咯烷酮或环丁砜；
(5)反渗透膜的制备：将步骤4)得到的成膜体系经过过滤后用泵打入圆形喷丝头中，采用同心圆涂覆纺丝工艺，将步骤3)得到的反渗透基膜与经过冷却后的步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，以围绕圆形喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜上，然后牵伸至凝固浴B中固化成膜并收集在导丝轮上，再在蒸馏水中室温浸泡24h以上以除去溶剂，得到GO沿拉伸牵引方向均匀排列的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜。
所述凝固浴B由N-甲基二吡咯烷酮和水构成；N-甲基二吡咯烷酮和水的质量比为3-6:1-5，优选3:2；喷丝头的直径为0.6-0.8mm，凝固浴B的温度为50-80℃，收集速度为5-20r/s。
一种由所述方法得到的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜(简称反渗透膜)，其特征在于该反渗透膜由外至内依次包括超薄GO外分离层、CTA分离层和加捻纱线增强层；超薄GO外分离层的厚度为50-200nm，CTA分离层的厚度为20-200μm，加捻纱线增强层的厚度为100-500μm；反渗透膜的渗透通量为50-500L·m-2·h-1·MPa，脱盐率为97-99.99％。
实施例1
(1)加捻纱线的制备：采用环锭细纱机将聚间苯二甲酰间苯二胺纤维长丝加捻成厚度为100μm的S捻纱；
(2)CTA分离层成膜体系的制备：将CTA、环丁砜、乙二醇和苯甲酸共混得到成膜体系；CTA占成膜体系质量的33wt.％，增塑剂占成膜体系质量的47wt.％，添加剂占成膜体系质量的20wt.％；乙二醇与苯甲酸的质量比为11:5；
(3)反渗透基膜的制备：将步骤2)得到的成膜体系经螺杆挤出机熔融挤出并通过环形喷丝头将熔体均匀涂覆于步骤1)得到的S捻纱的外表面，再牵伸至由30wt.％环丁砜/5wt.％乙二醇/65wt.％水构成的凝固浴A中冷却成型，得到CTA分离层厚度为60μm的纤维增强型CTA反渗透基膜；
(4)超薄GO外分离层成膜体系的制备：将CTA、N-甲基二吡咯烷酮与GO混合得到成膜体系；CTA占成膜体系质量的8wt.％，N-甲基二吡咯烷酮占成膜体系质量的87.8wt.％，GO占成膜体系质量的5.2wt.％；
(5)反渗透膜的制备：将步骤4)得到的成膜体系经过过滤后用泵打入圆形喷丝头中，采用同心圆涂覆纺丝工艺，将步骤3)得到的反渗透基膜与步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，以围绕圆形喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜上，然后牵伸至由80wt.％的N-甲基二吡咯烷酮与20wt.％的水构成的50℃的凝固浴B固化成膜并以5r/s的收集速度收集在导丝轮上，再在蒸馏水中室温浸泡24h以上以除去溶剂，得到超薄GO外分离层厚度为100nm的反渗透膜。
将所制备的反渗透膜在浓度1500mg·L-1的氯化钠溶液中、2MPa操作压力下连续测试1小时，脱盐率为98.5％，渗透通量为178.2L·m-2·h-1·MPa。
与本实施例步骤3)得到的纤维增强型CTA反渗透基膜相比，相同测试时间测试的渗透通量增加了26％，脱盐率增加了3.2％。
实施例2
(1)加捻纱线的制备：采用环锭细纱机将聚间苯二甲酰间苯二胺纤维长丝加捻成厚度为200μm的S捻纱；
(2)CTA分离层成膜体系的制备：将CTA、环丁砜、乙二醇和苯甲酸共混得到成膜体系；CTA占成膜体系质量的39wt.％，增塑剂占成膜体系质量的44wt.％，添加剂占成膜体系质量的17wt.％；乙二醇与苯甲酸的质量比为11:5；
(3)反渗透基膜的制备：将步骤2)得到的成膜体系经螺杆挤出机熔融挤出并通过环形喷丝头将熔体均匀涂覆于步骤1)得到的S捻纱的外表面，再牵伸至由35wt.％环丁砜/6wt.％乙二醇/59wt.％水构成的凝固浴A中冷却成型，得到CTA分离层厚度为90μm的纤维增强型CTA反渗透基膜；
(4)超薄GO外分离层成膜体系的制备：将二醋酸纤维素、环丁砜与GO混合得到成膜体系；二醋酸纤维素占成膜体系质量的10wt.％，环丁砜占成膜体系质量的86.7wt.％，GO占成膜体系质量的3.3wt.％；
(5)反渗透膜的制备：将步骤4)得到的成膜体系经过过滤后用泵打入圆形喷丝头中，采用同心圆涂覆纺丝工艺，将步骤3)得到的反渗透基膜与步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，以围绕圆形喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜上，然后牵伸至由80wt.％的N-甲基二吡咯烷酮与20wt.％的水构成的凝固浴B固化成膜并收集在导丝轮上，再在蒸馏水中室温浸泡24h以上以除去溶剂，得到超薄GO外分离层厚度为200nm的反渗透膜。
将所制备的反渗透膜在浓度1500mg·L-1的氯化钠溶液中、2MPa操作压力下连续测试1小时，脱盐率为99.5％，渗透通量为235.4L·m-2·h-1·MPa。
与本实施例步骤3)得到的纤维增强型CTA反渗透基膜相比，相同测试时间测试的渗透通量增加了28％，脱盐率增加了2.5％。
实施例3
(1)加捻纱线的制备：采用环锭细纱机将聚间苯二甲酰间苯二胺纤维长丝加捻成厚度为250μm的S捻纱；
(2)CTA分离层成膜体系的制备：将CTA、环丁砜、乙二醇和苯甲酸共混得到成膜体系；CTA占成膜体系质量的40wt.％，增塑剂占成膜体系质量的43wt.％，添加剂占成膜体系质量的17wt.％；乙二醇与苯甲酸的质量比为11:5；
(3)反渗透基膜的制备：将步骤2)得到的成膜体系经螺杆挤出机熔融挤出并通过环形喷丝头将熔体均匀涂覆于步骤1)得到的S捻纱的外表面，再牵伸至由40wt.％环丁砜/5wt.％乙二醇/55wt.％水构成的凝固浴A中冷却成型，得到CTA分离层厚度为100μm的纤维增强型CTA反渗透基膜；
(4)超薄GO外分离层成膜体系的制备：将CTA、环丁砜与GO混合得到成膜体系；CTA占成膜体系质量的6wt.％，环丁砜占成膜体系质量的86.5wt.％，GO占成膜体系质量的7.5wt.％；
(5)反渗透膜的制备：将步骤4)得到的成膜体系经过过滤后用泵打入圆形喷丝头中，采用同心圆涂覆纺丝工艺，将步骤3)得到的反渗透基膜与步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，以围绕圆形喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜上，然后牵伸至由70wt.％的N-甲基二吡咯烷酮与30wt.％的水构成的凝固浴B固化成膜并收集在导丝轮上，再在蒸馏水中室温浸泡24h以上以除去溶剂，得到超薄GO外分离层厚度为200nm的反渗透膜。
将所制备的反渗透膜在浓度1500mg·L-1的氯化钠溶液中、2MPa操作压力下连续测试1小时，脱盐率为99.4％，渗透通量为356.8L·m-2·h-1·MPa。
与本实施例步骤3)得到的纤维增强型CTA反渗透基膜相比，相同测试时间测试的渗透通量增加了32％，脱盐率增加了3.0％。
实施例4
(1)加捻纱线的制备：采用环锭细纱机将聚间苯二甲酰间苯二胺纤维长丝加捻成厚度为300μm的S捻纱；
(2)CTA分离层成膜体系的制备：将CTA、环丁砜、乙二醇和苯甲酸共混得到成膜体系；CTA占成膜体系质量的40wt.％，增塑剂占成膜体系质量的40wt.％，添加剂占成膜体系质量的20wt.％；乙二醇与苯甲酸的质量比为11:4；
(3)反渗透基膜的制备：将步骤2)得到的成膜体系经螺杆挤出机熔融挤出并通过环形喷丝头将熔体均匀涂覆于步骤1)得到的S捻纱外表面，再牵伸至由35wt.％环丁砜/5wt.％乙二醇/60wt.％水构成的凝固浴A中冷却成型，得到CTA分离层厚度为100μm的纤维增强型CTA反渗透基膜；
(4)超薄GO外分离层成膜体系的制备：将二醋酸纤维素、N-甲基二吡咯烷酮与GO混合得到成膜体系；二醋酸纤维素占成膜体系质量的7wt.％，N-甲基二吡咯烷酮占成膜体系质量的84.5wt.％，GO占成膜体系质量的8.5wt.％；
(5)反渗透膜的制备：将步骤4)得到的成膜体系经过过滤后用泵打入圆形喷丝头中，采用同心圆涂覆纺丝工艺，将步骤3)得到的反渗透基膜与步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，以围绕圆形喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜上，然后牵伸至由65wt.％的N-甲基二吡咯烷酮与35wt.％的水构成的凝固浴B固化成膜并收集在导丝轮上，再在蒸馏水中室温浸泡24h以上以除去溶剂，得到超薄GO外分离层厚度为200nm的反渗透膜。
将所制备的反渗透膜在浓度1500mg·L-1的氯化钠溶液中、2MPa操作压力下连续测试1小时，脱盐率为99.9％，渗透通量为458.1L·m-2·h-1·MPa。
与本实施例步骤3)得到的纤维增强型CTA反渗透基膜相比，相同测试时间测试的渗透通量增加了38％，脱盐率增加了3.4％。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)加捻纱线的制备：将纤维长丝加捻成S捻纱或Z捻纱，得到加捻纱线；
(2)CTA分离层成膜体系的制备：将CTA、增塑剂和添加剂共混得到CTA分离层成膜体系；CTA：增塑剂：添加剂的质量比为3-6:2-5:1-3；
(3)反渗透基膜的制备：将步骤2)得到的成膜体系经螺杆挤出机熔融挤出并通过环形喷丝头将熔体均匀涂覆于步骤1)得到的加捻纱线的外表面，再牵伸至凝固浴A中冷却成型，得到纤维增强型CTA反渗透基膜；
(4)超薄GO外分离层成膜体系的制备：将粘合剂与GO均匀分散于溶剂中，得到超薄GO外分离层成膜体系；粘合剂：溶剂：GO的质量比为5-20:85-89:0.1-10；
粘合剂为二醋酸纤维素或CTA；溶剂为N-甲基二吡咯烷酮或环丁砜；
(5)反渗透膜的制备：采用同心圆涂覆纺丝工艺，将步骤3)得到的反渗透基膜与步骤4)得到的成膜体系从圆形喷丝头中共挤出，以围绕圆形喷丝头中心周围形成管状液膜的形式牵引涂敷，使得超薄GO外分离层成膜体系均匀涂覆到反渗透基膜的外表面，然后牵伸至凝固浴B中固化成膜，再除去溶剂，得到GO沿牵引方向均匀排列的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜。
2.根据权利要求1所述的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于步骤1)中，所述纤维长丝是聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或聚丙烯纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于步骤2)中，所述增塑剂为环丁砜；所述添加剂为乙二醇、聚乙二醇-200、苯甲酸或马来酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于步骤3)中，所述凝固浴A由环丁砜、乙二醇或聚乙二醇-200与水构成；环丁砜：乙二醇或聚乙二醇-200：水的质量比为30-40:5-6:55-65。
5.根据权利要求1所述的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于步骤3)中，螺杆挤出机为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。
6.根据权利要求1所述的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于步骤5)中，凝固浴B由N-甲基二吡咯烷酮和水构成；N-甲基二吡咯烷酮和水的质量比为3-6:1-5；凝固浴B的温度为50-80℃。
7.根据权利要求1所述的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜的制备方法，其特征在于步骤5)中，收集速度为5-20r/s。
8.一种由权利要求1-7任一所述方法得到的高通量高脱盐率的中空纤维反渗透膜，其特征在于该反渗透膜由外至内依次包括超薄GO外分离层、CTA分离层和加捻纱线增强层；超薄GO外分离层的厚度为50-200nm，CTA分离层的厚度为20-200μm，加捻纱线增强层的厚度为100-500μm；反渗透膜的渗透通量为50-500L·m-2·h-1·MPa，脱盐率为97-99.99％。
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