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一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜、膜组件以及膜的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜，中空纤维膜丝的孔径为0.2‑2um，中空纤维膜的外径为1.0‑3.0mm，中空纤维膜的内径为0.5‑1.5mm，中空纤维膜的孔隙率为50‑80％。还公开了一种用中空纤维膜制成的膜组件，还公开了利用聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺，用热塑性PVDF粉末、无机填料、增塑剂，通入喷嘴模具，熔融温度设置为是190℃‑250℃，然后将熔融产物通过中心喷空气，形成中空纤维流体，空气温度维持在40‑50℃，从喷嘴中心挤出中空丝状物。PVDF热致相分离法制成的膜，能用强碱、强酸和氧化剂来清洗，可以重复反重用，膜过滤的效率高，寿命长。

Description

一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜、膜组件以及膜 的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜、膜组件，还涉及了一种利用聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺。
背景技术
传统的多孔膜，膜面上形成包含被除去的微生物类、沉积物等而堵塞膜面，因而容易引发过滤压的升高、过滤速度降低的问题。
用于饮料与酒过滤的中空纤维膜大部分采用聚砜(PS)、聚醚砜(PES)。已知公开的PES，PS中空纤维啤酒膜丝专利US20190076790，US20110114559，这些材料耐化学性，尤其是耐强碱与强氧化剂不理想，耐碱如NaOH一般不超过0.4％，耐氧化剂如次氯酸钠一般不超过500PPM。因此膜不能用强碱清洗，不能用强氧化剂消毒。在食品，饮料与酒类加工过程中受到限制。
一般的中空纤维膜强度不够，不能保持整体性。当膜丝断裂或破损后，微生物会透过膜。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种耐化学性好、过滤高效的用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜。
本发明还提供一种用中空纤维膜制成的膜组件，以及提供聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺。
本发明提供如下技术方案：
一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜，中空纤维膜丝的孔径为0.2-2um，中空纤维膜的外径为1.0-3.0mm，中空纤维膜的内径为0.5-1.5mm，中空纤维膜的孔隙率为50-80％。
进一步的，所述中空纤维膜纯水通量为>2000LMH。
进一步的，所述中空纤维膜的拉伸强度为8-30Mpa。
一种用中空纤维膜制成的膜组件，膜组件包括外壳和设置在外壳内的PVDF中空纤维膜，膜组件的外壳上设置有原液进口和原液出口，膜组件上还设有多个清液出口，PVDF中空纤维膜的孔径为0.2-2微米，过滤采用内压式。
聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺，具体步骤如下：
(1)将以下原料按重量百分含量配比：
热塑性PVDF粉末30-50％；
无机填料10-40％；
增塑剂15-40％；
助剂0-3％；
(2)将上述原料混炼，通入喷嘴模具，熔融温度设置为是190℃-250℃，然后将熔融产物通过中心喷空气，形成中空纤维流体，空气温度维持在40-50℃，从喷嘴中心挤出中空丝状物；
(3)所形成的中空纤维膜经过60-100％酒精除去增塑剂，再用质量百分含量2％-20％NaOH除去二氧化硅，形成中空纤维膜。
无机填料选自二氧化硅，氧化铝，氧化钙，碳酸钙。
增塑剂选自邻苯二甲酸酯类或油酸类，邻苯二甲酸酯类为DOP，DBP，DEP，DHP，己二酸二异壬酯，双(2-乙基己基)对苯二甲酸酯，1,2-环己烷二羧酸。
助剂为润滑剂，抗氧化剂，热稳定剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用热致相分离法制成的过滤膜，比起现有的硅藻土只能一次性实用，减少硅藻土废渣对环境污染，回收的酵母等固形物可以综合利用为食品添加剂或饲料。
(2)PVDF中空纤维膜采用排渣和清洗可以重复反重用，过滤后的啤酒或饮料澄清度高，质量好，可以提高保质时间。
(3)PVDF热致相分离法制成的膜，比起现有的PES，PS膜材料，能用强碱、强酸和氧化剂来清洗，可以重复反重用，更耐化学清洗，膜过滤的效率高，寿命长。膜强度高，能适合饮料与酒处理系统的碱洗与氧化剂消毒，过滤性能好，寿命长。
附图说明
图1为膜组件的结构示意图。
图中：1、外壳，2、PVDF中空纤维膜，3、原液进口，4、原液出口，5、第一清液出口，6、第二清液出口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜，中空纤维膜丝的孔径为0.2-2um，中空纤维膜的外径为1.0-3.0mm，中空纤维膜的内径为0.5-1.5mm，中空纤维膜的孔隙率为50-80％，中空纤维膜纯水通量为>2000LMH，拉伸强度为8-30Mpa。
PVDF材料耐化学性能好，本发明TIPS膜拉伸强度达8-30MPa。如果强度不高膜产生的断裂或破损，造成原酒或饮料中的微生物透到清酒或饮料。因此膜在使用过程中不能断裂或破损或需要马上修复断裂或破损。
图1所示，本发明将上述PVDF中纤维微滤膜制成组件：膜组件包括外壳1和设置在外壳1内的PVDF中空纤维膜2，膜组件的外壳1上设置有原液进口3和原液出口4，膜组件上还设有多个清液出口(第一清液出口5、第二清液出口6)，膜孔径为0.2-2微米，过滤采用内压式。
上述液体为饮料或酒。用在饮料与酒类上，其过滤性能良好。
本发明的PVDF中空纤维膜可以耐强酸，强碱，强氧化剂，重复使用，寿命长，能够在饮料与酒行业实现高性能膜过滤操作。该膜能够承受高压(高于5bar)的操作，耐高温(高于80-110℃)，在强酸，强碱和强氧化剂中强度不变。
以下实施例1-3为聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺。
实施例1
将PVDF均聚物，DOP，活性二氧化硅＝35：35：30(质量比)的粉末组成混合物。热致相分离法(TIPS)工艺使用双螺杆挤出机(螺杆直径20，长径比为40：1)，控制筒体温度在230℃时，加入经高速混合均匀粉末状物料(a)进行混炼后，通过具有1.9mm外径，0.9mm内径的环形缝隙的喷嘴模具并控制喷头温在250℃，通过以18ml/分钟的流量向中空注入空气，从喷嘴中心以40g/分钟速度挤出中空丝状物，用于中空零件形成的流体是空气。所形成的中空纤维膜经过质量百分含量为95％酒精除去DOP，再用10％NaOH除去二氧化硅，形成中空纤维膜。孔径为0.22um，外径为1.8mm，内径为0.8mm，纯水通量为2600LMH，拉伸强度为9MPa。将此中空纤维膜分别在10％硫酸，2％NaOH，6％双氧水在40℃浸泡48小时，膜的强度与通量不变。将中空纤维膜制成图1组件，用于啤酒过滤，滤出的啤酒的浊度低于0.2NTU。
实施例2
将PVDF均聚物，DOP，活性二氧化硅＝33：37：30(质量比)的粉末组成混合物。热致相分离法(TIPS)工艺使用双螺杆挤出机(螺杆直径20，长径比为40：1)，控制筒体温度在220℃时，加入经高速混合均匀粉末状物料(a)进行混炼后，通过具有1.9mm外径，0.9mm内径的环形缝隙的喷嘴模具并控制喷头温在240℃，通过以18ml/分钟的流量向中空注入空气，从喷嘴中心以45g/分钟速度挤出中空丝状物，用于中空零件形成的流体是空气。所形成的中空纤维膜经过质量百分含量为90％酒精除去DOP，再用5％NaOH除去二氧化硅，形成中空纤维膜。孔径为0.4um，外径为1.8mm，内径为0.8mm，纯水通量为3000LMH，拉伸强度为8.5MPa。将此中空纤维膜分别在10％硫酸，2％NaOH，6％双氧水在40℃浸泡48小时，膜的强度与通量不变。将中空纤维膜制成图1组件，用于白葡萄酒过滤，滤出的白葡萄酒的浊度低于0.2NTU。
实施例3
将PVDF均聚物，DOP，活性二氧化硅＝45：25：30(质量比)的粉末组成混合物。热致相分离法(TIPS)工艺使用双螺杆挤出机(螺杆直径20，长径比为40：1)，控制筒体温度在240℃时，加入经高速混合均匀粉末状物料(a)进行混炼后，通过具有1.9mm外径，0.9mm内径的环形缝隙的喷嘴模具并控制喷头温在250℃，通过以18ml/分钟的流量向中空注入空气，从喷嘴中心以40g/分钟速度挤出中空丝状物，用于中空零件形成的流体是空气。所形成的中空纤维膜经过质量百分含量为95％酒精除去DOP，再用10％NaOH除去二氧化硅，形成中空纤维膜。孔径为1um，外径为2mm，内径为1mm，纯水通量为2500LMH，拉伸强度为15MPa。将此中空纤维膜分别在10％硫酸，2％NaOH，6％双氧水在40℃浸泡48小时，膜的强度与通量不变。将中空纤维膜制成图1组件，用于苹果汁过滤滤出果汁的TSS低于1PPM。
上述膜组件用于啤酒或饮料过滤过程如下：
过滤采用内压式，原酒或饮料从膜组件的中空内进入，澄清的过滤酒或饮料从膜中空外得到。过滤过程需要连续循环，防止滤渣沉淀。
采用热致相分离法制成的过滤膜，比起现有的硅藻土只能一次性实用，减少硅藻土废渣对环境污染，回收的酵母等固形物可以综合利用为食品添加剂或饲料。PVDF中空纤维膜采用排渣和清洗可以重复反重用，过滤后的饮料或酒澄清度高，质量好，可以提高保质时间。
PVDF热致相分离法制成的膜，耐化学性能好，热致相分离法(TIPS)制膜比溶剂相分离法制膜(NIPS)强度更高。一般的TIPS拉伸强度为6-8MMPa，一般的NIPS拉伸强度为2-3MMPa。本发明高强度TIPS达8-30MPa，膜不易破裂。
比起现有的PES，PS膜材料，更耐化学清洗。能用强碱、强酸和氧化剂来清洗，膜过滤的效率高，寿命长。适用于酒、饮料方面的过滤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜，其特征在于：中空纤维膜丝的孔径为0.2-2um，中空纤维膜的外径为1.0-3.0mm，中空纤维膜的内径为0.5-1.5mm，中空纤维膜的孔隙率为50-80％。
2.根据权利要求1所述的一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜，其特征在于：所述中空纤维膜纯水通量为>2000LMH。
3.根据权利要求1所述的一种用于饮料与酒过滤的高强度中空纤维膜，其特征在于：所述中空纤维膜的拉伸强度为8-30Mpa。
4.一种用中空纤维膜制成的膜组件，其特征在于：膜组件包括外壳(1)和设置在外壳(1)内的PVDF中空纤维膜(2)，膜组件的外壳(1)上设置有原液进口(3)和原液出口(4)，膜组件上还设有多个清液出口，PVDF中空纤维膜的孔径为0.2-2微米，过滤采用内压式。
5.聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将以下原料按重量百分含量配比：
热塑性PVDF粉末30-50％；
无机填料10-40％；
增塑剂15-40％；
助剂0-3％；
(2)将上述原料混炼，通入喷嘴模具，熔融温度设置为是190℃-250℃，然后将熔融产物通过中心喷空气，形成中空纤维流体，空气温度维持在40-50℃，从喷嘴中心挤出中空丝状物；
(3)所形成的中空纤维膜经过60％-100％酒精除去增塑剂，再用质量百分含量2％-20％NaOH除去二氧化硅，形成中空纤维膜。
6.根据权利要求5所述的聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺，其特征在于：无机填料选自二氧化硅，氧化铝，氧化钙，碳酸钙。
7.根据权利要求5所述的聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺，其特征在于：增塑剂选自邻苯二甲酸酯类或油酸类，邻苯二甲酸酯类为DOP，DBP，DEP，DHP，己二酸二异壬酯，双(2-乙基己基)对苯二甲酸酯，1,2-环己烷二羧酸。
8.根据权利要求5所述的聚偏氟乙烯材料用热致相分离法制成中空纤维膜的工艺，其特征在于：助剂为润滑剂，抗氧化剂，热稳定剂。
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