CN111804156A - 高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置，它包括：料液罐、定位上板、定位下板、涂膜板和送绳管，在料液罐的上端装有定位上板，在料液罐的下端装有涂膜板，在定位上板和涂膜板之间的料液罐上装有定位下板，在定位上板和定位下板之间的料液罐内形成料液腔，在料液腔侧壁的上部装有铸膜液管，在定位下板和涂膜板之间的料液罐内形成注膜腔，在定位上板和定位下板之间装有若干个送绳管，定位下板还开有若干个第一料液孔，在涂膜板上开有与在定位上板和定位下板的送绳管相应的送绳孔，在每个送绳孔周围开有第二料液孔，送绳孔的直径大于送绳管的内径，用本发明的多孔装置制备出增强型中空纤维膜，然后，在进行成膜处理和亲水化处理。
Description
技术领域
本发明涉及了制备中空纤维膜的装置和方法，特别是涉及一种高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置及方法。
背景技术
现中空纤维膜的制备多采用NIPS法（Nonsolvent Induce Phase Separation），即非溶剂致相分离法，制备的中空纤维膜的力学强度低，在工程应用中易出现断丝现象，出现中空纤维膜使用寿命减少、出水水质不达标、维护费用高等问题，为解决此问题，主要有两种方法来提高中空纤维膜的强度，一种是在纤维编织管外侧或内侧涂覆上铸膜液，形成增强型中空纤维膜，另一种是将工业长丝嵌入中空纤维膜，形成长纤维嵌入型中空纤维膜，但这两种方法都有较大的缺点：
1、增强型中空纤维膜，虽然其力学强度可达200N，但制备过程中纺丝速度过低，只有0.5-6m/min，如果不改变其装置结构，将其纺丝速度提升到20m/min以上，由于纤维编织管在粘度达几万至十几万厘泊的铸膜液内长时间高速摩擦，影响铸膜液的正常流动，致使大量空气带入其内部，制备的中空纤维膜存在大量裸绳、漏点等产品缺陷，故传统增强型中空纤维膜由于其较低的纺丝速度限制了大规模生产的能力，不利于降低成本，提高产量。
2、长纤维嵌入型中空纤维膜，虽然其强度较自支撑中空纤维膜有了很大的提高，拉伸断裂强度可达20-30N，但由于其在使用过程中常有毛发缠绕、污泥淤积等恶劣情况，此强度在恶劣的运行环境中还是很难满足需要，不能从根本上解决断丝问题。
膜分离技术是在20世纪出现，近几十年迅速发展的一种新分离技术。其主要特点是过滤精度高，平均孔径只有几十至几百纳米，故兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保及过滤过程简单、易于控制等特征，还具有能耗低、无相变、操作简单、无二次污染、分离物易于回收、自动化程度高等特点。
中空纤维膜主要采用高分子材料制备而成，包括聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚砜（PS）、聚氯乙烯（PVC）等，由于其材质属性，上述材料制备的中空纤维膜的力学强度较低，难以满足使用需要，在工程应用过程中发生断丝现象，造成中空纤维膜使用寿命减少、出水水质不达标、维护费用高等问题。
专利CN101343731A《 纤维编织管嵌入增强型聚合物中空纤维膜微孔膜的制备方法》,其将芯液管固定在编织好的纤维编织管中间，纤维编织管在摩擦轮的带动下，进入挤出模具，铸膜液、芯液、纤维编织管通过挤出模具进行共挤出，进入凝固浴中发生相分离，得到纤维编织管嵌入增强型聚合物中空纤维膜微孔膜。
专利CN102266726A 《一种长纤维增强中空纤维膜的制备方法》，其主要通过将长纤维和铸膜液进行预先复合，并将长纤维定位在铸膜液之中，并适当增加长纤维的牵引力来实现长纤维在中空纤维膜中的有序并伸直地分布和充分复合，从而制备一种长纤维增强的中空纤维膜复合膜。
发明内容
本申请的发明目的是克服现有技术的缺陷，而提供一种高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置及方法。在基本不增加设备投入，提高人员劳动强度的情况下，发明一种增强型中空纤维膜的多孔高速制备方法及装置，使其既有不低于长纤维增强型中空纤维膜的制备速度，以利于大规模生产，降低生产成本。同时又能保持增强型中空纤维膜的高强度，以保证其在运行及清洗过程中不断丝，延长使用寿命，降低运行成本。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本发明的一种高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置，它包括：料液罐、定位上板、定位下板、涂膜板和送绳管，在料液罐的上端装有定位上板，在料液罐的下端装有涂膜板，在定位上板和涂膜板之间的料液罐上装有定位下板，在定位上板和定位下板之间的料液罐内形成料液腔，在料液腔侧壁的上部装有铸膜液管，在定位下板和涂膜板之间的料液罐内形成注膜腔，其中：在定位上板和定位下板之间装有若干个送绳管，定位下板还开有若干个第一料液孔 ，在涂膜板上开有与在定位上板和定位下板的送绳管相应的送绳孔，在每个送绳孔周围开有第二料液孔 ，送绳孔的直径大于送绳管的内径；
本发明的一种高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置，其中：该多孔装置还包括热水套，热水套装在料液腔外侧，在靠近热水套上部装有出水管，在靠近热水套下部装有进水管。
本发明制备增强型中空纤维膜的方法，其中：它包括以下步骤：
(a)、制备铸膜液：将以混合比例为10-40:20-80:10-40的高分子树脂、溶剂和添加剂在温度为50～120℃的条件下，在反应釜内混合均匀并搅拌6～10小时后，过滤，并在-20～-60KPa压力下脱泡6～8小时，得到铸膜液；
(b)、纤维编织条涂覆成膜：纤维编织条从高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置的定位上板进入料液罐，依次进入定位下板和涂膜板，铸膜液从铸膜液管处注入料液罐的料液腔，从定位下板的第一料液孔进入铸膜腔，循环水从进水管进入热水套，从出水管排出热水套，纤维编织条和铸膜液在注膜腔内混合并充分接触，在收丝机的牵引作用下，纤维编织条从涂膜板的送绳孔引出，进入凝固浴发生相分离，得到增强型中空纤维膜，凝固浴为20-80℃的溶液，该溶液为含有浓度为0-50%溶剂的水溶液，该溶剂与铸膜液中的溶剂相同；
(c)、成膜处理：将步骤(b) 得到的增强型中空纤维膜，放入温度为10-20℃的水中浸泡10-24小时；
(d)、亲水化处理：将步骤(c)得到的增强型中空纤维膜送入40～80℃的纯水中，增强型中空纤维膜在40～80℃的纯水中浸泡1～6小时，再在20～60℃的环境下干燥24～72小时，得到亲水化增强型中空纤维膜；
本发明制备增强型中空纤维膜的方法，其中：所述纤维编织条在收丝机的带动下，以30-40m/min的速度穿过送绳管；
本发明制备增强型中空纤维膜的方法，其中：所述的高分子树脂为聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚砜(PS)或聚氯乙烯PVC；
本发明制备增强型中空纤维膜的方法，其中：所述的溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)或二甲基亚砜(DMSO)；
本发明制备增强型中空纤维膜的方法，其中：所述的添加剂为聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或氯化锂(LiCl)；
本发明制备增强型中空纤维膜的方法，其中：所述纤维编织条为用腈纶、丙纶、涤纶、氯纶、维纶和氨纶的上述一种材料或几种材料混合并经过高编或钩编的方式编织出来的纤维编织条；
本发明制备增强型中空纤维膜的方法，其中：所述中空纤维膜是涂覆有膜的纤维编织条。
用本发明的高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置及方法制造出来的中空纤维膜与长纤维嵌入型中空纤维膜相比具有以下优点：
1、实现了力学强度的极大提高，其拉伸断裂强度从20-30N提升到200N以上，实现永不断丝，以保证其在运行及清洗过程中不断丝，延长使用寿命，日常维护少，降低运行成本。
2、由于增强型中空纤维膜在干燥过程前，会进行亲水化处理，在此过程中消除了中空纤维膜的应力，保证其在后期曝气的顺利进行。
3、通过送绳管的保护，铸膜液只在定位下板和涂膜板之间的注膜腔与纤维编织条接触，减少了中空纤维膜与铸膜液的接触时间，降低了铸膜液渗入纤维编织条内部的可能，从而避免了中空纤维膜内径小、甚至堵丝等问题的产生。
4、在基本不增加设备投入的情况下，实现了纺丝速度的大幅提升，即从0.5-6m/min提升到30m/min以上，便于大规模生产，提高了产量。
附图说明
图1为本发明的高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置的正向剖面示意图；
图2为图1的定位板的俯向示意图；
图3为图1的涂膜板的俯向示意图。
在图1至图3中，标号1为定位上板；标号2为送绳管；标号3为出水管；标号4为进水管；标号5为铸膜液管；标号6为料液罐；标号7为定位下板；标号8为涂膜板；标号9为送绳孔；标号10为热水套；标号11为第一料液孔；标号12为第二料液孔；标号13为料液腔；标号14为注膜腔。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置包括：料液罐6、定位上板1、定位下板7、热水套10、涂膜板8和送绳管2，在料液罐6的上端装有定位上板1，在料液罐6的下端装有涂膜板8，在定位上板1和涂膜板8之间的料液罐6上装有定位下板7，在定位上板1和定位下板7之间的料液罐6内形成料液腔13，在料液腔13侧壁的上部装有铸膜液管5，在定位下板7和涂膜板8之间的料液罐6内形成注膜腔14，在定位上板1和定位下板7之间装有若干个送绳管2，定位下板7还开有若干个第一料液孔 11，在涂膜板8上开有与在定位上板1和定位下板7的送绳管2相应的送绳孔9，在每个送绳孔9周围开有第二料液孔12，送绳孔9的直径大于送绳管2的内径。热水套10装在料液腔13外侧，在靠近热水套10上部装有出水管3，在靠近热水套10下部装有进水管4。
用上述高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置来制备中空纤维膜的方法，它包括以下步骤：
(a)、制备铸膜液：将高分子树脂为聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚砜(PS)或聚氯乙烯PVC；溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)或二甲基亚砜(DMSO)；添加剂为聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或氯化锂(LiCl)，上述材料以混合比例为10-40:20-80:10-40的高分子树脂、溶剂和添加剂在温度为50～120℃的条件下，在反应釜内混合均匀并搅拌6～10小时后，过滤，并在-20～-60KPa压力下脱泡6～8小时，得到铸膜液；
(b)、纤维编织条涂覆成膜：纤维编织条从高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置的定位上板1进入料液罐6，在收丝机的带动下，以30-40m/min的速度穿过送绳管2，依次进入定位下板7和涂膜板8，铸膜液从铸膜液管5处注入料液罐6的料液腔13，从定位下板7的第一料液孔11进入铸膜腔14，温度为80-90℃的循环水从进水管4进入热水套10，温度为50-70℃的循环水从出水管3排出热水套10，纤维编织条和铸膜液在注膜腔14内混合并充分接触，在收丝机的牵引作用下，纤维编织条从涂膜板8的送绳孔9引出，进入凝固浴发生相分离，得到增强型中空纤维膜，凝固浴为20-80℃的溶液，该溶液为含有浓度为0-50%溶剂的水溶液，该溶剂与铸膜液中的溶剂相同；
上述纤维编织条为用腈纶、丙纶、涤纶、氯纶、维纶和氨纶的上述一种材料或几种材料混合并经过高编或钩编的方式编织出来的纤维编织条；从进水管4进入热水套10的循环水的，从出水管3排出热水套10的循环水的温度为50-70℃。
(c)、成膜处理：将步骤(b) 得到的增强型中空纤维膜，放入温度为10-20℃的水中,浸泡10-24小时；
(d)、亲水化处理：将步骤(c)得到的增强型中空纤维膜送入40～80℃的纯水中，增强型中空纤维膜在40～80℃的纯水中浸泡1～6小时，再在20～60℃的环境下干燥24～72小时，得到亲水化增强型中空纤维膜。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置，它包括：料液罐（6）、定位上板（1）、定位下板（7）、涂膜板（8）和送绳管（2），在料液罐（6）的上端装有定位上板（1），在料液罐（6）的下端装有涂膜板（8），在定位上板（1）和涂膜板（8）之间的料液罐（6）上装有定位下板（7），在定位上板（1）和定位下板（7）之间的料液罐（6）内形成料液腔（13），在料液腔（13）侧壁的上部装有铸膜液管（5），在定位下板（7）和涂膜板（8）之间的料液罐（6）内形成注膜腔（14），其特征在于：在定位上板（1）和定位下板（7）之间装有若干个送绳管（2），定位下板（7）还开有若干个第一料液孔 （11），在涂膜板（8）上开有与在定位上板（1）和定位下板（7）的送绳管（2）相应的送绳孔（9），在每个送绳孔（9）周围开有第二料液孔 （12），送绳孔（9）的直径大于送绳管（2）的内径。
2.如权利要求1所述的高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置，其特征在于：该多孔装置还包括热水套（10），热水套（10）装在料液腔（13）外侧，在靠近热水套（10）上部装有出水管（3），在靠近热水套（10）下部装有进水管（4）。
3.用权利要求2所述的高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置来制备中空纤维膜的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(a)、制备铸膜液：将以混合比例为10-40:20-80:10-40的高分子树脂、溶剂和添加剂在温度为50～120℃的条件下，在反应釜内混合均匀并搅拌6～10小时后，过滤，并在-20～-60KPa压力下脱泡6～8小时，得到铸膜液；
(b)、纤维编织条涂覆成膜：纤维编织条从高速制备增强型中空纤维膜的多孔装置的定位上板（1）进入料液罐（6），依次进入定位下板（7）和涂膜板（8），铸膜液从铸膜液管（5）处注入料液罐（6）的料液腔（13），从定位下板（7）的第一料液孔（11）进入铸膜腔（14），循环水从进水管（4）进入热水套（10），从出水管（3）排出热水套（10），纤维编织条和铸膜液在注膜腔（14）内混合并充分接触，在收丝机的牵引作用下，纤维编织条从涂膜板（8）的送绳孔（9）引出，进入凝固浴发生相分离，得到增强型中空纤维膜，凝固浴为20-80℃的溶液，该溶液为含有浓度为0-50%溶剂的水溶液，该溶剂与铸膜液中的溶剂相同；
(c)、成膜处理：将步骤(b) 得到的增强型中空纤维膜，放入温度为10-20℃的水中浸泡10-24小时；
(d)、亲水化处理：将步骤(c)得到的增强型中空纤维膜送入40～80℃的纯水中，增强型中空纤维膜在40～80℃的纯水中浸泡1～6小时，再在20～60℃的环境下干燥24～72小时，得到亲水化增强型中空纤维膜。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述纤维编织条在收丝机的带动下，以30-40m/min的速度穿过送绳管（2）。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：从进水管（4）进入热水套（10）的循环水的温度为80-90℃，从出水管（3）排出热水套（10）的循环水的温度为50-70℃。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的高分子树脂为聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚砜(PS)或聚氯乙烯（PVC）。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)或二甲基亚砜(DMSO)。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的添加剂为聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或氯化锂(LiCl)。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述纤维编织条为用腈纶、丙纶、涤纶、氯纶、维纶和氨纶的上述一种材料或几种材料混合并经过高编或钩编的方式编织出来的纤维编织条。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述中空纤维膜是涂覆有膜的纤维编织条。
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