CN111215037A - 复合过滤膜及其制备方法以及在处理船用油原料中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合过滤膜及其制备方法以及在处理船用油原料中的应用，属于分离膜材料技术领域。本发明解决的技术问题是废弃动植物油脂中的重金属污染限制了其在生物柴油中的应用。本发明提供的复合过滤膜以金属网为中间层，复合纤维膜为上下层，复合纤维膜由壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维复合而成。制备过程将纤维以及粘合剂加入乙醇水溶液中搅拌得到纤维浆液，然后在金属网上进行铺网制得复合纤维膜，最后以金属网为中间层，复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。本发明复合膜具有优异的力学性能及较高的油通量，能够实现对废弃动植物油脂中的重金属高效快速的吸附去除，在以废弃动植物油脂为原料制备船用油中具有较好的应用前景。

Description

复合过滤膜及其制备方法以及在处理船用油原料中的应用
技术领域
本发明属于分离膜材料技术领域，具体涉及复合过滤膜及其制备方法以及在处理船用油原料中的应用。
背景技术
目前，由于以动植物油脂为原料制备生物柴油的这种方法制备成本较高，从而限制了其推广和应用。废弃动植物油脂，以地沟油为代表，来源广泛，廉价易得，能被制备成燃料油等生物柴油。以废弃动植物油脂为原料制备生物柴油，一方面，充分实现了废弃动植物油脂的资源化利用，极大程度上降低了生物柴油的生产成本，促进了生物柴油的发展；另一方面，能够有效防止废弃动植物油脂进入食物链，危害人体健康。同时，也避免了废弃动植物油脂对水体环境的污染。废弃动植物油脂源于回收的食用油、反复使用的煎炸油、牲畜加工剩余物提炼油、油脂加工厂下脚料、餐厨清理剩余物提炼油等，其中会包含了大量的杂质。通常，经过简单的沉降分离能够去除废弃动植物油脂中大部分的杂质，但废弃动植物油脂中的重金属却难以去除。长时间使用含有重金属的生物柴油，会对供油系统精密偶件产生极大危害，会导致柱塞出油阀运动不灵活，加油减油不够灵敏，严重时会导致发动机熄火起动困难，而喷油嘴在工作过程中如有重金属进入会引起发动机冒黑烟，起动困难等故障。
发明内容
本发明解决的技术问题是废弃动植物油脂中的重金属污染限制了其在生物柴油中的应用。
本发明解决上述问题的技术方案是提供复合过滤膜，以金属网为中间层，复合纤维膜为上下层，复合纤维膜由壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维复合而成。
其中，以质量百分数计壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维的比例为5～30％：30～70％： 10％～30％。
其中，复合纤维膜和金属网的质量比为1～10：50～100。
其中，金属网的材质为SS304，SS304L，SS316，SS316L，SS430不锈钢中的一种；金属网的目数为400～635目。
其中，植物纤维为苎麻、大麻、亚麻、黄麻、剑麻、蕉麻、槿麻、青麻、罗布麻、大豆纤维、花生纤维中的至少一种；化学纤维为聚乙烯、聚丙烯、聚酯中的至少一种。
其中，各种纤维的直径为0.1～500μm，长度为0.2～3cm。
本发明进一步公开上述复合过滤膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维以及粘合剂加入5～60％乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液，然后加入打浆机中搅拌制得纤维浆液；
(2)将(1)所得纤维浆液在金属网上进行铺网制得复合纤维膜；
(3)以金属网为中间层，步骤(2)制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。
其中，粘合剂为淀粉、海藻酸钠、糊精、纤维素中的至少一种；粘合剂用量为纤维总质量的1～10％。
其中，预搅拌的时间为1～20min，打浆机中持续搅拌10～120min。
其中，步骤(2)具体为在金属网上进行铺网，室温静置10～60min后，于40～120℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；步骤(2)所述金属网目数为100～400目，材质为SS304，SS304L，SS316，SS316L，SS430不锈钢中的一种。
其中，步骤(3)所述热压温度为120～200℃，热压压力为5～50MPa，热压时间为1～10min。
本发明还公开复合过滤膜在去除船用油原料废弃动植物油脂中重金属的应用。
本发明的有益效果：
通过本发明所制得复合膜，能够实现对废弃动植物油脂中的重金属高效快速的吸附去除，解决了现有废弃动植物油脂转化生物柴油的除重金属工艺中存在的去除率低、成本高、工序耗时长等问题，在以废弃动植物油脂为原料制备船用油中具有较好的应用前景；本发明所制得的复合膜具有优异的力学性能及较高的油通量，且具备较好的长期稳定性。
具体实施方式
传统的重金属分离膜通常是通过对多孔膜进行化学改性，或者接枝具有能够吸附重金属的化学基团，本发明是将具有螯合重金属能力的壳聚糖纤维与其他纤维通过造纸工艺制得复合过滤膜，无需额外的化学改性，便能具备吸附重金属的能力。
目前还没有专门针对去除废弃动植物油脂中重金属的分离膜，复合过滤膜除了需要具备能吸附或截留重金属的能力，还要保证复合膜具有较高的油通量。本发明以金属网为中间层，复合纤维膜为上下层，复合纤维膜由壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维复合而成。其中，壳聚糖纤维能通过自身的螯合作用对废弃动植物油脂的中重金属进行截留并吸附，天然纤维主要作用是控制复合膜的致密程度，化学纤维在复合膜中主要作用是对壳聚糖纤维、天然纤维及金属网进行黏合，金属网是复合膜中的核心支撑层，为复合膜提供力学强度，防止在使用过程中损坏。
本发明其中一个关键控制因素是壳聚糖纤维、天然纤维、化学纤维及金属网的比例。壳聚糖纤维是本发明核心部分，如壳聚糖纤维用量较少，则对废弃动植物油脂中的重金属去除率就较低；天然纤维主要作用是控制复合膜的致密程度，只有天然纤维用量在一定范围内，才能保证复合膜具有较高的油通量和金属去除率。作为优选的，壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维的比例为5～30％：30～70％：10％～30％。作为优选的，复合纤维膜和金属网的质量比为1～10：50～100。
进一步的，本发明所制备的复合膜是由高长径比的纤维堆叠而成的3D网状结构，能够实现多次对废弃动植物油脂中的重金属进行截留吸附，从而保证较高的重金属去除率。
本发明复合过滤膜在去除船用油原料废弃动植物油脂中重金属的应用，其中一种实现方式是将本发明所制得的复合过滤膜应用于通用的抽滤过滤装置，按照常规的分离方法，从而实现去除船用油原料废弃动植物油脂中重金属的目的。
以下通过实施例本发明作进一步的解释和说明。
采用玻璃砂芯过滤装置，测试复合过滤膜对废弃废弃动植物油脂的油通量，测试过程中的跨膜压为0.01～0.20MPa，测试温度为25℃。采用原子吸收光谱，测试经复合膜过滤后废弃动植物油脂中的重金属含量，其中测试温度为25℃。
实施例1
(1)将壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维以及少量的粘合剂加入10％乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液；其中预搅拌的时间为10～12min。其中所用的粘合剂为海藻酸钠；
(2)将步骤(1)中制得的纤维悬浮液加入打浆机中，持续搅拌60～62min 得到纤维浆液；
(3)将步骤(2)中制得纤维浆液在金属网上进行铺网，室温静置30min后，于65～70℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；其中所用的金属网目数为 200目，材质为SS304L；
(4)以高目数金属网为中间层，步骤(3)中所制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。其中热压温度为180℃，热压压力为20MPa，热压时间为 5min；其中所用的高目数金属网材质为SS304L，其目数为550目。
步骤(1)中所述的壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的直径20μm，长度为1cm。
步骤(1)中所述的植物纤维为苎麻；化学纤维为聚乙烯。
步骤(1)中所述的复合纤维膜中壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的质量比为20％：50％： 30％。
步骤(1)中所述的粘合剂的用量为纤维总质量的3％。
步骤(4)中所述的复合纤维膜和金属网的质量比为5：100。
采用以上步骤所制得的复合过滤膜拉伸强度为312.3～317.5Mpa，油通量为203-215 LMH。采用原子吸收光谱，测试经复合膜过滤后废弃动植物油脂中的重金属含量，测试结果表明采用以上步骤所制得的复合膜对重金属去除率达到97％，且在重复过滤十次后，其对重金属的去除率依然能达到89％。
实施例2
(1)将壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维以及少量的粘合剂加入20％乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液；其中预搅拌的时间为15～16min。所用的粘合剂为糊精。
(2)将步骤(1)中制得的纤维悬浮液加入打浆机中，持续搅拌80～82min得到纤维浆液。
(3)将步骤(2)中制得纤维浆液在金属网上进行铺网，室温静置45min后，于50～55℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；其中所用的金属网目数为400目，材质为SS316L。
(4)以高目数金属网为中间层，步骤(3)中所制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。其中热压温度为150～160℃，热压压力为10MPa，热压时间为5min；其中所用的高目数金属网材质为SS316L，其目数为635目。
步骤(1)中所述的壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的直径10μm，长度为1cm。
步骤(1)中所述的植物纤维为亚麻；化学纤维为聚丙烯。
步骤(1)中所述的复合纤维膜中壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的质量比为25％：50％： 25％。
步骤(1)中所述的粘合剂用量为纤维总质量的5％。
步骤(4)中所述的复合纤维膜和金属网的质量比为5：70。
采用以上步骤所制得的复合过滤膜拉伸强度为350.7～361.2Mpa，油通量为234-247 LMH。采用原子吸收光谱，测试经复合膜过滤后废弃动植物油脂中的重金属含量，测试结果表明采用以上步骤所制得的复合膜对重金属去除率达到98.5％，且在重复过滤十次后，其对重金属的去除率依然能达到91％。
实施例3
(1)将壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维以及少量的粘合剂加入35％乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液；其中预搅拌的时间为18～20min。所用的粘合剂为淀粉。
(2)将步骤(1)中制得的纤维悬浮液加入打浆机中，持续搅拌100～105min得到纤维浆液。
(3)将步骤(2)中制得纤维浆液在金属网上进行铺网，室温静置10min后，于105～110℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；其中所用的金属网目数为400目，材质为SS430。
(4)以高目数金属网为中间层，步骤(3)中所制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。其中热压温度为180～190℃，热压压力为30MPa，热压时间为10min；其中所用的高目数金属网材质为SS430中的一种，其目数为635目。
步骤(1)中所述的壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的直径20μm，长度为1.5cm。
步骤(1)中所述的植物纤维为剑麻；化学纤维为聚酯。
步骤(1)中所述的复合纤维膜中壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的质量比为10％：60％： 30％。
步骤(1)中所述的粘合剂用量为纤维总质量的3％。
步骤(4)中所述的复合纤维膜和金属网的质量比为3：60。
采用以上步骤所制得的复合过滤膜拉伸强度为378.1～386.3Mpa，油通量为265-272 LMH。采用原子吸收光谱，测试经复合膜过滤后废弃动植物油脂中的重金属含量，测试结果表明采用以上步骤所制得的复合膜对重金属去除率达到93.2％，且在重复过滤十次后，其对重金属的去除率依然能达到80.7％。
实施例4
(1)将壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维以及少量的粘合剂加入15％乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液；其中预搅拌的时间为16～18min。所用的粘合剂为纤维素。
(2)将步骤(1)中制得的纤维悬浮液加入打浆机中，持续搅拌115～120min得到纤维浆液。
(3)将步骤(2)中制得纤维浆液在金属网上进行铺网，室温静置60min后，于115～120℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；其中所用的金属网目数为200目，材质为SS304。
(4)以高目数金属网为中间层，步骤(3)中所制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。其中热压温度为195～200℃，热压压力为20MPa，热压时间为3min；其中所用的高目数金属网材质为SS304中的一种，其目数为600目。
步骤(1)中所述的壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的直径5μm，长度为0.5cm。
步骤(1)中所述的植物纤维为蕉麻；化学纤维为聚酯。
步骤(1)中所述的复合纤维膜中壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的质量比为5％：70％： 25％。
步骤(1)中所述的粘合剂用量为纤维总质量的10％。
步骤(4)中所述的复合纤维膜和金属网的质量比为1：100。
采用以上步骤所制得的复合过滤膜拉伸强度为15.5～17.1Mpa，油通量为310-322LMH。采用原子吸收光谱，测试经复合膜过滤后废弃动植物油脂中的重金属含量，测试结果表明采用以上步骤所制得的复合膜对重金属去除率达到89.7％，且在重复过滤十次后，其对重金属的去除率依然能达到80.3％。
实施例5
(1)将壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维以及少量的粘合剂加入5％乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液；其中预搅拌的时间为19～20min。所用的粘合剂为海藻酸钠。
(2)将步骤(1)中制得的纤维悬浮液加入打浆机中，持续搅拌120min得到纤维浆液。
(3)将步骤(2)中制得纤维浆液在金属网上进行铺网，室温静置55～60min后，于40～ 50℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；其中所用的金属网目数为100目，材质为SS316L。
(4)以高目数金属网为中间层，步骤(3)中所制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。其中热压温度为135～140℃，热压压力为50MPa，热压时间为3min；其中所用的高目数金属网材质为SS316L，其目数为550目。
步骤(1)中所述的壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的直径30μm，长度为2cm。
步骤(1)中所述的植物纤维为剑麻；化学纤维为聚丙烯。
步骤(1)中所述的复合纤维膜中壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的质量比为30％：50％： 20％。
步骤(1)中所述的粘合剂用量为纤维总质量的9％。
步骤(4)中所述的复合纤维膜和金属网的质量比为10：70。
采用以上步骤所制得的复合过滤膜拉伸强度为315.5～317.1Mpa，油通量为197-203 LMH。采用原子吸收光谱，测试经复合膜过滤后废弃动植物油脂中的重金属含量，测试结果表明采用以上步骤所制得的复合膜对重金属去除率达到89.7％，且在重复过滤十次后，其对重金属的去除率依然能达到80.3％。
实施例6
(1)将壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维以及少量的粘合剂加入60％乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液；其中预搅拌的时间为5～6min。所用的粘合剂为糊精。
(2)将步骤(1)中制得的纤维悬浮液加入打浆机中，持续搅拌30min得到纤维浆液。
(3)将步骤(2)中制得纤维浆液在金属网上进行铺网，室温静置10～15min 后，于65～70℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；其中所用的金属网目数为350目，材质为SS430。
(4)以高目数金属网为中间层，步骤(3)中所制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。其中热压温度为150～160℃，热压压力为50MPa，热压时间为1～2min；其中所用的高目数金属网材质为SS430，其目数为610目。
步骤(1)中所述的壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的直径15μm，长度为1cm。
步骤(1)中所述的植物纤维为苎麻；化学纤维为聚乙烯。
步骤(1)中所述的复合纤维膜中壳聚糖纤维，植物纤维，化学纤维的质量比为30％：60％： 10％。
步骤(1)中所述的粘合剂用量为纤维总质量的10％。
步骤(4)中所述的复合纤维膜和金属网的质量比为10：70。
采用以上步骤所制得的复合过滤膜拉伸强度为325.5～337.1Mpa，油通量为233-241 LMH。采用原子吸收光谱，测试经复合膜过滤后废弃动植物油脂中的重金属含量，测试结果表明采用以上步骤所制得的复合膜对重金属去除率达到99.7％，且在重复过滤十次后，其对重金属的去除率依然能达到92.6％。
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 (10)

1.复合过滤膜，其特征在于：以金属网为中间层，复合纤维膜为上下层，复合纤维膜由壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维复合而成。
2.根据权利要求1所述的复合过滤膜，其特征在于：以质量百分数计所述壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维的比例为5～30％：30～70％：10％～30％。
3.根据权利要求1所述的复合过滤膜，其特征在于：所述复合纤维膜和金属网的质量比为1～10：50～100。
4.根据权利要求1所述的复合过滤膜，其特征在于：所述金属网的材质为SS304，SS304L，SS316，SS316L，SS430不锈钢中的一种；金属网的目数为400～635目。
5.根据权利要求1所述的复合过滤膜，其特征在于：所述植物纤维为苎麻、大麻、亚麻、黄麻、剑麻、蕉麻、槿麻、青麻、罗布麻、大豆纤维、花生纤维中的至少一种；化学纤维为聚乙烯、聚丙烯、聚酯中的至少一种；各种纤维的直径为0.1～500μm，长度为0.2～3cm。
6.权利要求1～5任一项所述复合过滤膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将壳聚糖纤维、植物纤维、化学纤维以及粘合剂加入乙醇水溶液中，进行预搅拌得到纤维悬浮液，然后加入打浆机中搅拌制得纤维浆液；
(2)将(1)所得纤维浆液在金属网上进行铺网制得复合纤维膜；
(3)以金属网为中间层，步骤(2)制得的复合纤维膜为上下层，采用热压的方式制得复合过滤膜。
7.根据权利要求6所述的复合过滤膜的制备方法，其特征在于：所述粘合剂为淀粉、海藻酸钠、糊精、纤维素中的至少一种；粘合剂用量为纤维用量总质量的1～10％。
8.根据权利要求6所述的复合过滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)具体为在金属网上进行铺网，室温静置10～60min后，于40～120℃下在鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到复合纤维膜；步骤(2)所述金属网目数为100～400目，材质为SS304，SS304L，SS316，SS316L，SS430不锈钢中的一种。
9.根据权利要求6所述的复合过滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述热压温度为120～200℃，热压压力为5～50MPa，热压时间为1～10min。
10.权利要求1～5任一项所述复合过滤膜在处理船用油原料中的应用，其特征在于：以废物动植物油脂为原料制备船用油，将复合过滤膜用于废物动植物油脂中重金属的去除。
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