CN111939767B - 一种用于废水处理的平板型脱氮膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于废水处理的平板型脱氮膜及其制备方法，属于废水处理技术领域；包括无纺布基材层和气体渗透层；无纺布基材层与气体渗透层粘结为一体；无纺布基材包括聚丙烯纤维、纤维素纤维和碳纤维；其中聚丙烯纤维占比60‑90wt％，纤维素纤维占比5‑30wt％，碳纤维占比5‑15wt％，气体渗透层设为膨体聚四氟乙稀薄膜。本发明提供的一种平板型脱氮膜是浸没式平板膜，比表面积大，可直接在氨氮废水中应用，无需增加前置过滤装置，操作方便，膜易于更换、清洗检修方便。本发明的平板型脱氮膜具有独特的物理结构，且其物理结构与功能性高度匹配，脱氮性能较好，接触角、孔径和透气率等指标参数合理。

Description

一种用于废水处理的平板型脱氮膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于废水处理的平板型脱氮膜及其制备方法，属于废水处理技术领域。
背景技术
氨氮含量可以作为自然水体重要的污染指标，过量排放的氨氮可造成水体富营养化，进而形成黑臭水体，对水生环境产生重大影响。目前氨氮的脱除方法主要分为物理方法和生物方法。对于高氨氮的废水，采用吹脱法、汽提法、鸟粪石法等物理方法对氨氮进行脱除或者预处理，是目前使用的常规手段，但由于这类方法能耗高、处理设备易结垢等缺点，较难大规模推广应用。
脱氮膜技术是一种新型的氨氮脱除技术，它的工作原理是利用PFTE或PP疏水型微孔膜将氨氮废水和吸收液分隔为废水侧和吸收液侧，再通过调节氨氮废水PH值，使废水中的铵离子转变为游离氨(NH3)，通过边界层扩散至疏水微孔膜表面，随后在膜两侧NH3浓度差的推动下在膜内渗透，最后在微孔膜和吸收液界面上与酸性吸收液中H+发生反应并生成可溶性铵盐，实现氨氮从废水向吸收液的无接触式转移。
目前的脱氮膜组件种类主要有：管式膜组件、中空纤维式膜组件和平板式膜组件。用于脱氮的管式膜和中空纤维膜组件是一种外置式膜组件，在实际使用过程中，膜丝元件和膜壳内壁极易发生污堵，通常需前置精密过滤才能使用。
发明内容
本发明的目的是为解决如何避免脱氮膜组件易出现污堵，易于更换和清洗，易于检修的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种用于废水处理的平板型脱氮膜，包括无纺布基材层和气体渗透层；无纺布基材层与气体渗透层粘结为一体；所述无纺布基材包括聚合物纤维、纤维素纤维和碳纤维；其中聚合物纤维占比60-90wt％，纤维素纤维占比5-30wt％，碳纤维占比5-15wt％，所述气体渗透层设为膨体聚四氟乙稀薄膜。
优选地，所述的聚合物纤维包含聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维和芳纶纤维；所述的聚丙烯纤维包含单组分聚丙烯纤维和双组分聚乙烯/聚丙烯纤维的一种或两种。
优选地，所述的单组分聚丙烯纤维的熔点设为150-190℃。
优选地，所述的双组分聚乙烯/聚丙烯纤维为皮芯纤维，表皮层熔点设为90-150℃，纤维本体熔点设为150-190℃。
优选地，所述的纤维素纤维的打浆度设为30-60°SR，特别优选的为竹浆纤维和木浆纤维。
优选地，所述的碳纤维耐温设为大于300℃。
优选地，所述的膨体聚四氟乙稀薄膜透气率设为0.1-5m/s，平均孔径设为0.1-5μm，孔隙率设为50-80％，接触角设为110°-140°。
本发明提供一种用于废水处理的平板型脱氮膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：使用湿法造纸工艺将聚合物纤维、纤维素纤维和碳纤维组成的混合纤维浆料通过造纸机抄造，形成该无纺布基材；
步骤2：无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起；
步骤3：放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维熔点和热压压力有关；
步骤4：热压复合后，再经冷却形成平板型脱氮膜。
优选地，所述的步骤1中无纺布基材的抄造工艺参数中，纸机上浆浓度设为0.01-0.5wt％，烘缸干燥温度设为90-120℃，软压光温度设为100-130℃。
优选地，所述的步骤3中高温热压处理时，热压温度设为140-170℃，压力范围设为0.5-2.5MPa。
优选地，所述的步骤4中形成的平板型脱氮膜的定量设为50-100g/m2，厚度设为100-250μm，透气率设为0.05-1.5m/s，平均孔径设为0.05-4.5μm，接触角设为110°-140°，脱氮能力设为5-50g NH3-N/m2h。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种平板型脱氮膜是浸没式平板膜，比表面积大，可直接在氨氮废水中应用，无需增加前置过滤装置，操作方便，膜易于更换、清洗检修方便。本发明所提供的平板型脱氮膜的物理结构独特，且其物理结构与功能性高度匹配，同时脱氮性能较好，接触角、孔径和透气率等指标参数较为合理。
1、本发明的平板型脱氮膜可分为上下两层结构：气体渗透层和无纺布基材层。无纺布基材层作为厚度较大的基材层，孔径较大，是一种优良的多孔支撑层，经软压光工艺使其具有较好的平整性；
2、本发明的无纺布基材的纤维配方具有以下特征：在无纺布基材抄造、成型过程中，占据主体的聚丙烯纤维具有较强的物理强度，可提高无纺布基材的力学性能；少量的纤维素纤维可提高基材湿法抄造过程中的润湿性和湿强度，有利于无纺布基材的湿纸幅卷取，是一种必不可少的纤维添加剂，同时也提高成型后无纺布基材的吸水率；碳纤维是一种耐高温纤维，可提高无纺布基材在热压处理过程中的抗热收缩性能。
3、本发明的膨体聚四氟乙烯薄膜作为平板型脱氮膜的气体渗透层，其表面张力极低，疏水性能好，可以将含氨氮的料液和酸性吸收液隔离，料液中的氨气可通过膨体聚四氟乙烯薄膜层渗透进入吸收液，而液体被挡在料液侧。
4、本发明的平板型脱氮膜的热压复合工艺所需温度和无纺布基材烘干及软压光工艺所需温度具有一定的梯度关系，无纺布基材烘干温度(90-120℃)<软压光温度(100-130℃)<脱氮膜热压复合温度(140-170℃)，充分利用单组份或双组分聚丙烯纤维的熔点特性，在不同温度条件下，通过聚丙烯纤维熔化程度来有序增强材料强度，在此过程中，不使用任何胶黏剂增强，有助于保持脱氮膜的高孔隙率和透气率。
5、本发明的平板型脱氮膜为浸没式微孔膜类型，可直接放置在高氨氮废水中使用，耐污染性能较好，无需对废水进行预处理过滤。
附图说明
图1是本发明的无纺布基材层表面扫描电镜SEM图,放大50倍；
图2是本发明的气体渗透层表面扫描电镜SEM图,放大5000倍；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-2所示，本发明提供一种用于废水处理的平板型脱氮膜，包括无纺布基材层和气体渗透层；无纺布基材层与气体渗透层粘结为一体；无纺布基材包括聚合物纤维、纤维素纤维和碳纤维；其中聚合物纤维占比60-90wt％，纤维素纤维占比5-30wt％，碳纤维占比5-15wt％，所述气体渗透层设为膨体聚四氟乙稀薄膜。聚合物纤维包含聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维和芳纶纤维等，更优选耐强酸腐蚀性能较好的聚丙烯纤维；聚丙烯纤维包含单组分聚丙烯纤维和双组分聚乙烯/聚丙烯纤维的一种或两种；单组分聚丙烯纤维的熔点设为150-190℃；双组分聚乙烯/聚丙烯纤维为皮芯纤维，表皮层熔点设为90-150℃，纤维本体熔点设为150-190℃。纤维素纤维的打浆度在30-60°SR。碳纤维耐温大于300℃。膨体聚四氟乙稀薄膜透气率设为0.1-5m/s，平均孔径设为0.1-5μm，孔隙率设为50-80％，接触角设为110°-140°。
本发明的一种用于废水处理的平板型脱氮膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：使用湿法造纸工艺将聚丙烯纤维、纤维素纤维和碳纤维组成的混合纤维浆料通过造纸机抄造，形成该无纺布基材；无纺布基材的抄造工艺参数中，纸机上浆浓度设为0.01-0.5wt％，烘缸干燥温度设为90-120℃，软压光温度设为为100-130℃。
步骤2：无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起；
步骤3：放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维熔点和热压压力有关；高温热压处理时，热压温度设为140-170℃，压力范围设为0.5-2.5MPa。
步骤4：热压复合后，再经冷却形成平板型脱氮膜；形成的平板型脱氮膜的定量设为50-100g/m2，厚度设为100-250μm，透气率设为0.05-1.5m/s，平均孔径设为0.05-4.5μm，接触角设为110°-140°，脱氮能力设为5-50g NH3-N/m2h。
实施例1-5中，竹浆纤维，型号：漂白浆，生产厂家：四川永丰纸业有限公司；木浆纤维，型号：漂白浆，生产厂家：云南云景林纸股份有限公司；碳纤维，生产厂家：大连兴科有限公司；膨体聚四氟乙烯薄膜，型号：40微米，生产厂家：浙江金隆有限公司。上述公司的产品仅为参考，相同性质的其它牌号的原料也可以达到同样的效果，在此不赘述。
实施例1
一种平板型脱氮膜，其组成成分包括：无纺布基材层和气体渗透层。
(1)无纺布基材层的抄造工艺和纤维配方：
本发明提供该无纺布基材的抄造工艺参数范围：纸机上浆浓度0.01wt％，烘缸干燥温度90℃，软压光温度为100℃。
混合纤维浆料的配方组成：聚丙烯纤维占比60wt％，竹浆纤维占比30wt％，碳纤维占10wt％。聚丙烯纤维为单组分聚丙烯纤维，聚丙烯纤维熔点在150℃；竹浆纤维的打浆度在30°SR，优选经漂白的竹浆纤维；所述的碳纤维的耐温性大于300℃。
(2)气体渗透层的选型
膨体聚四氟乙稀薄膜(ePTFE薄膜)的透气率：0.1m/s，平均孔径：0.1μm，孔隙率：50％，接触角：110°。
(3)一种平板型脱氮膜的制备方法以及性能参数
其制备方法，将无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起，然后放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维的熔点和热压压力有关，优先140℃，压力范围为0.5MPa，热压复合之后再经冷却形成平板型脱氮膜。平板型脱氮膜的定量：50g/m2，厚度：100μm，透气率：0.05m/s，平均孔径：0.05μm，接触角：110°，脱氮能力：5gNH3-N/m2·h。
实施例2
一种平板型脱氮膜，其组成成分包括：无纺布基材层和气体渗透层。
(1)无纺布基材层的抄造工艺和纤维配方
本发明提供该无纺布基材的抄造工艺参数范围：纸机上浆浓度0.1wt％，烘缸干燥温度100℃，软压光温度为120℃。
混合纤维浆料的配方组成：聚丙烯纤维占比70wt％，竹浆纤维占比15wt％，碳纤维占比15wt％。聚丙烯纤维为双组分聚乙烯/聚丙烯纤维，聚丙烯纤维表皮层熔点在90℃，纤维本体熔点在170℃；竹浆纤维的打浆度在40°SR，优选经漂白的竹浆纤维；碳纤维的耐温性大于300℃。
(2)气体渗透层的选型
膨体聚四氟乙稀薄膜(ePTFE薄膜)的透气率：0.2m/s，平均孔径：1μm，孔隙率：60％，接触角：120°。
(3)一种平板型脱氮膜的制备方法以及性能参数
其制备方法，将无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起，然后放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维的本体熔点和热压压力有关，优先160℃，压力范围为1MPa，热压复合之后再经冷却形成平板型脱氮膜。
平板型脱氮膜的定量：60g/m2，厚度：150μm，透气率：1m/s，平均孔径：1.5μm，接触角：120°，脱氮能力：20g NH3-N/m2·h。
实施例3
一种平板型脱氮膜，其组成成分包括：无纺布基材层和气体渗透层。
(1)无纺布基材层的抄造工艺和纤维配方
本发明提供该无纺布基材的抄造工艺参数范围：纸机上浆浓度0.2wt％，烘缸干燥温度105℃，软压光温度为125℃。
混合纤维浆料的配方组成：聚丙烯纤维占比80wt％，竹浆纤维占比15wt％，碳纤维占比5wt％。聚丙烯纤维包含多组分聚乙烯/聚丙烯纤维，聚丙烯纤维表皮层熔点在150℃，纤维本体熔点在190℃；竹浆纤维的打浆度在48°SR，优选经漂白的竹浆纤维；碳纤维的耐温性大于300℃。
(2)气体渗透层的选型
膨体聚四氟乙稀薄膜(ePTFE薄膜)的透气率：3.5m/s，平均孔径：3.9μm，孔隙率：70％，接触角：130°。
(3)一种平板型脱氮膜的制备方法以及性能参数
其制备方法，将无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起，然后放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维的本体熔点和热压压力有关，优先170℃，压力范围为2.5MPa，热压复合之后再经冷却形成平板型脱氮膜。
平板型脱氮膜的定量：80g/m2，厚度：200μm，透气率：1.2m/s，平均孔径：4μm，接触角：130°，脱氮能力：40g NH3-N/m2·h。
实施例4
一种平板型脱氮膜，其组成成分包括：无纺布基材层和气体渗透层。
(1)无纺布基材层的抄造工艺和纤维配方
本发明提供该无纺布基材的抄造工艺参数范围：纸机上浆浓度0.2wt％，烘缸干燥温度110℃，软压光温度为125℃。
混合纤维浆料的配方组成：聚丙烯纤维占比80wt％，木浆纤维占比10wt％，碳纤维占比10wt％。聚丙烯纤维为单组分聚丙烯纤维，聚丙烯纤维熔点在180℃；木浆纤维的打浆度在50°SR，优选经漂白的木浆纤维；碳纤维的耐温性大于300℃。
(2)气体渗透层的选型
膨体聚四氟乙稀薄膜(ePTFE薄膜)的透气率：4.5m/s，平均孔径：3.5μm，孔隙率：70％，接触角：130°。
(3)一种平板型脱氮膜的制备方法以及性能参数
其制备方法，将无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起，然后放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维熔点和热压压力有关，优先170℃，压力范围为2MPa，热压复合之后再经冷却形成平板型脱氮膜。
平板型脱氮膜的定量：85g/m2，厚度：200μm，透气率：1.2m/s，平均孔径：4.0μm，接触角：130°，脱氮能力：50g NH3-N/m2·h。
实施例5
一种平板型脱氮膜，其组成成分包括：无纺布基材层和气体渗透层。
(1)无纺布基材层的抄造工艺和纤维配方
本发明提供该无纺布基材的抄造工艺参数范围：纸机上浆浓度0.5wt％，烘缸干燥温度120℃，软压光温度为130℃。
混合纤维浆料的配方组成：聚丙烯纤维占比90wt％，木浆纤维占比5wt％，碳纤维占比5wt％。聚丙烯纤维为单组分聚丙烯纤维，聚丙烯纤维熔点在190℃；木浆纤维的打浆度在60°SR，优选经漂白的木浆纤维；碳纤维的耐温性大于300℃。
(2)气体渗透层的选型
膨体聚四氟乙稀薄膜(ePTFE薄膜)的透气率：5m/s，平均孔径：5μm，孔隙率：80％，接触角：140°。
(3)一种平板型脱氮膜的制备方法以及性能参数
其制备方法，将无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起，然后放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维熔点和热压压力有关，优先170℃，压力范围为2.5MPa，热压复合之后再经冷却形成平板型脱氮膜。
平板型脱氮膜的定量：100g/m2，厚度：250μm，透气率：1.5m/s，平均孔径：4.5μm，接触角：140°，脱氮能力：45g NH3-N/m2·h。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种用于废水处理的平板型脱氮膜的制备方法，其特征在于，所述的一种用于废水处理的平板型脱氮膜，包括无纺布基材层和气体渗透层；无纺布基材层与气体渗透层粘结为一体；所述无纺布基材包括聚丙烯纤维、纤维素纤维和碳纤维；其中聚丙烯纤维占比60-90wt%，纤维素纤维占比5-30wt%，碳纤维占比5-15wt%，所述气体渗透层设为膨体聚四氟乙稀薄膜；所述的聚丙烯纤维包含单组分聚丙烯纤维和双组分聚乙烯/聚丙烯纤维的一种或两种；所述的单组分聚丙烯纤维的熔点设为150-190℃；双组分聚乙烯/聚丙烯纤维为皮芯纤维，表皮层熔点设为90-150℃，纤维本体熔点设为150-190℃；所述的纤维素纤维的打浆度设为30-60°SR；所述的纤维素纤维设为竹浆纤维和木浆纤维；所述的碳纤维耐温设为大于300℃；所述的膨体聚四氟乙稀薄膜透气率设为0.1-5 m/s，平均孔径设为0.1-5μm，孔隙率设为50-80%，接触角设为110°-140°；
包括以下步骤：
步骤1：使用湿法造纸工艺将聚丙烯纤维、纤维素纤维和碳纤维组成的混合纤维浆料通过造纸机抄造，形成该无纺布基材；无纺布基材的抄造工艺参数中，纸机上浆浓度设为0.01-0.5wt%，无纺布基材烘干温度90-120℃，软压光温度设为100-130℃；
步骤2：无纺布基材和膨体聚四氟乙烯薄膜预先上下叠层在一起；
步骤3：放入热压机中进行高温热压处理，热压温度与所选聚丙烯纤维熔点和热压压力有关；高温热压处理时，脱氮膜热压复合温度140-170℃，压力范围设为0.5-2.5MPa；
平板型脱氮膜的热压复合工艺所需温度和无纺布基材烘干及软压光工艺所需温度具有一定的梯度关系，无纺布基材烘干温度90-120℃<软压光温度100- 130℃<脱氮膜热压复合温度140-170℃；
步骤4：热压复合后，再经冷却形成平板型脱氮膜；形成的平板型脱氮膜的定量设为50-100 g/m2，厚度设为100-250 μm，透气率设为0.05-1.5 m/s，平均孔径设为0.05-4.5μm，接触角设为110°-140°，脱氮能力设为5-50g NH3-N/m2h。
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