CN113083034A - 一种中空滤芯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳滤芯技术领域，具体而言，涉及一种中空滤芯的制备方法。本发明的一种中空滤芯的制备方法，包括以下步骤：对预组装的滤芯内的中空纤维膜进行界面聚合处理；所述预组装的滤芯包括壳体以及设置于所述壳体内的所述中空纤维膜；所述中空纤维膜和所述壳体之间形成腔室；所述中空纤维膜主要由编织后的中空纤维丝经卷制和浇注而成；所述界面聚合处理包括以下步骤：所述中空纤维膜的膜丝内部通油相，所述腔室通水相，所述油相和所述水相的流向相反。本发明的方法得到的滤芯相比传统家用卷式滤芯，自支撑，省导布，做更高装填面积、更高产水量，既可保证滤芯的渗透分离性能，又可提高产品的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及纳滤芯技术领域，具体而言，涉及一种中空滤芯的制备方法。
背景技术
20世纪初，膜技术成为一种新型的分离技术。目前在水处理和净水产业生产过程中的需求日益迫切。纳滤膜是介于超滤和反渗透之间的新型膜分离技术，以其操作压力低、高水通量、高截留率，同时保留对身体有益的小分子有机物和低价无机盐等优势，被逐渐广泛地应用于多种领域。
复合膜是一类非常重要的纳滤分离膜，结构分为下层的多孔支撑层和上层超薄的选择性皮层。一般认为，下层的支撑层为复合膜提供了机械强度，而上层的选择性皮层则决定了复合膜的分离性能。目前复合纳滤膜大多是通过界面聚合法制备的，传统纳滤膜片一般由聚酯无纺布、聚砜超滤支持层及聚酰胺脱盐层组成。
现有家用中空纳滤芯未见有成熟产品，即便工业用中空纳滤芯多采用预先制备的复合中空纳滤膜丝(复合层在外)，再浇注成型，对浇注工艺要求极高，浇注成型过程中膜丝之间以及胶水与膜丝的磨损均会引起功能层损伤，致使滤芯成品率低，截留性能难以有保证。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种中空滤芯的制备方法，以解决现有技术中对浇注工艺要求极高，浇注成型过程中膜丝之间以及胶水与膜丝的磨损均会引起功能层损伤，致使滤芯成品率低，截留性能难以有保证的技术问题。本发明的方法既可保证滤芯的渗透分离性能，又可提高产品的成品率。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种中空滤芯的制备方法，包括以下步骤：
对预组装的滤芯内的中空纤维膜进行界面聚合处理；
所述预组装的滤芯包括壳体以及设置于所述壳体内的所述中空纤维膜；所述中空纤维膜和所述壳体之间形成腔室；所述中空纤维膜主要由编织后的中空纤维丝经卷制和浇注而成；
所述界面聚合处理包括以下步骤：所述中空纤维膜的膜丝内部通油相，所述腔室通水相，所述油相和所述水相的流向相反。
优选地，所述壳体上设置有进口和出口，所述中空纤维膜的至少一端设置有产水口。
优选地，所述编织后的中空纤维丝包括经线和纬线，所述经线为中空纤维丝，所述纬线为编织绳；
优选地，相邻的两根所述编织绳的间距为1～5cm，所述编织绳的直径为20～100μm；
优选地，所述编织的速度为2～20m/min，编织过程的温度为20～40℃，湿度为20％～60％。
优选地，所述油相的单体包括均苯三甲酰氯；
优选地，所述油相的溶剂包括正乙烷；
优选地，所述油相中的单体的质量含量为0.2％～2％。
优选地，所述水相中的单体包括哌嗪、间苯二胺和聚乙烯亚胺中的至少一种；
优选地，所述水相中的单体的质量含量为0.5％～5％；
优选地，以质量百分比计，所述水相中还包括表面活性剂0.5％～2％；
优选地，所述表面活性剂包括樟脑磺酸钠和/或十二烷基磺酸钠；
优选地，所述水相的pH为8～12。
优选地，所述油相的流速为0.5～5m/min，所述油相的温度为20～40℃；
优选地，所述水相的流速为0.2～2m/min，所述水相的温度为20～40℃；
优选地，所述油相和所述水相的接触时间为1～5min。
优选地，所述界面聚合处理后对所述腔室进行水洗；
优选地，所述水洗时间为1～3min；
优选地，所述水洗后进行干燥。
优选地，所述中空纤维丝的材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯中的至少一种；
优选地，所述中空纤维丝的外经为0.3～2.0mm，内径为0.2～1.8mm。
优选地，所述中空纤维丝进行预处理，所述预处理包括：将所述中空纤维丝浸于改性剂中1～10min；
优选地，所述改性剂包括亲水高分子和/或无机微粒；
优选地，所述亲水高分子包括聚乙烯醇和/或壳聚糖；
优选地，所述聚乙烯醇的醇解度为78％～98％，分子量为2万～20万Da；
优选地，所述壳聚糖的分子量为10万～100万Da；
优选地，所述无机微粒包括二氧化硅和/或氧化铝；
优选地，所述无机微粒的粒径为10～200nm。
优选地，所述浇注为离心浇注；
优选地，所述浇注中采用的胶料包括聚氨酯类胶料和/或环氧树脂类胶料；
优选地，所述胶料中还包括催化剂；
优选地，所述催化剂包括脂肪族胺类催化剂、醇类化合物催化剂和芳香族胺类催化剂中的至少一种；
优选地，所述催化剂的用量为所述胶料质量的0.025％～0.1％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的方法得到的滤芯相比传统家用卷式滤芯，自支撑，省导布，做更高装填面积、更高产水量。本发明既可保证滤芯的渗透分离性能，又可提高产品的成品率，能够实现中空滤芯产业化放大的稳定性，将有效推动家用净水领域的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中编织好的中空纤维膜丝图；
图2为本发明完成浇注的中空滤芯。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
根据本发明的一个方面，本发明涉及一种中空滤芯的制备方法，包括以下步骤：
对预组装的滤芯内的中空纤维膜进行界面聚合处理；
所述预组装的滤芯包括壳体以及设置于所述壳体内的所述中空纤维膜；所述中空纤维膜和所述壳体之间形成腔室；所述中空纤维膜主要由编织后的中空纤维丝经卷制和浇注而成；
所述界面聚合处理包括以下步骤：所述中空纤维膜的膜丝内部通油相，所述腔室通水相，所述油相和所述水相的流向相反。
本发明的方法对浇注后的中空纤维膜进行界面聚合，既保证了滤芯的渗透分离性能，又提高了产品的成品率，能够保证中空纳滤膜产业化放大的稳定性。
优选地，所述中空纤维丝的材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯中的至少一种。
本发明的中空纤维丝的材质优选为聚丙烯。
优选地，所述中空纤维丝的外经为0.3～2.0mm，内径为0.2～1.8mm。
优选地，所述中空纤维丝进行预处理，所述预处理包括：将所述中空纤维丝浸于改性剂中1～10min。
本发明将中空纤维丝浸于改性剂中1～10min后用水冲洗10～100s，取出后自然晾干。
优选地，所述改性剂包括亲水高分子和/或无机微粒。
优选地，所述亲水高分子包括聚乙烯醇和/或壳聚糖。
优选地，所述聚乙烯醇的醇解度为78％～98％，分子量为2万～20万Da。
在一种实施方式中，聚乙烯醇的醇解度为78％～98％，还可以选择80％、83％、85％、87％、90％、95％或98％。分子量还可以选择2万Da、3万Da、5万Da、7Da、10Da、12Da、15Da、17Da或20万Da。
本发明中聚乙烯醇的预处理为：放入混料釜，80～90℃下加热搅拌溶解6～8h，充分溶解后冷却至室温(25℃左右)，以备基膜改性。
优选地，所述壳聚糖的分子量为10万～100万Da。
在一种实施方式中，所述壳聚糖的分子量为10万Da、20Da、30Da、40Da、50Da、60Da、70Da、80Da、90Da或100万Da。
优选地，所述无机微粒包括二氧化硅和/或氧化铝。
优选地，所述无机微粒的粒径为10～200nm。还可以选择10nm、20nm、50nm、70nm、100nm、150nm或200nm。
优选地，所述浇注为离心浇注。
优选地，所述浇注中采用的胶料包括聚氨酯类胶料和/或环氧树脂类胶料。
优选地，所述胶料中还包括催化剂。
优选地，所述催化剂包括脂肪族胺类催化剂、醇类化合物催化剂和芳香族胺类催化剂中的至少一种。
所述脂肪族胺类催化剂包括N,N-二甲基环己胺、三乙胺、固胺、N-乙基吗啉和N-甲基吗啉中的至少一种；
所述醇类化合物催化剂包括三乙醇胺和/或DMEA。
所述芳香族胺类催化剂包括吡啶和/或N,N’-二甲基吡啶。
优选地，所述催化剂的用量为所述胶料质量的0.025％～0.1％。
本发明的胶料包括F01胶，F01胶50g在23℃温度条件下表干时间为70min左右，23℃温度下完全固化的时间为48h；经过对F01胶内加入0.1％、0.05％与0.025％催化剂加调整胶水固化时间；加入0.05％催化剂的胶料40℃下20g胶表干时间可以控制在20min。
优选地，所述壳体上设置有进口和出口，所述中空纤维膜的至少一端设置有产水口。
优选地，所述编织后的中空纤维丝包括经线和纬线，所述经线为中空纤维丝，所述纬线为编织绳。
优选地，相邻的两根所述编织绳的间距为1～5cm，所述编织绳的直径为20～100μm。
在一种实施方式中，相邻的两根所述编织绳的间距为1～5cm，还可以选择1cm、2cm、3cm、4cm或5cm。本发明优选相邻的两根所述编织绳的间距为2～4cm。上述特定的编织绳的间距可赋予滤芯更加优异的渗透截留性能。
所述编织绳是由单丝纤维编织而成，单丝纤维的直径为20-200旦。编织绳所用纤维材料包括有机和/或无机纤维。编织绳所用纤维材料包括PAN基碳纤维、聚乙烯纤维、芳纶、聚酰亚胺纤维和聚四氟乙烯细纤维中的至少一种。
优选地，所述编织的速度为2～20m/min，编织过程的温度为20～40℃，湿度为20％～60％。
在一种实施方式中，所述编织的速度为2～20m/min，还可以选择2m/min、2m/min、4m/min、5m/min、6m/min、7m/min、8m/min、9m/min、10m/min、11m/min、12m/min、13m/min、14m/min、15m/min、16m/min、17m/min、18m/min、19m/min或20m/min。
在一种实施方式中，所述编织过程的温度为20～40℃，还可以选择20℃、25℃、30℃、35℃或40℃。
在一种实施方式中，所述湿度为20％～60％，还可以20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％或60％。
本发明在编织过程中的特定温度、湿度、编织的速度可保证中空纤维丝的性能。
优选地，所述油相的单体包括均苯三甲酰氯。
优选地，所述油相的溶剂包括正乙烷。
本发明油相溶液的配制包括以下步骤：向正己烷纯溶液中加入的均苯三甲酰氯，常温磁力搅拌1小时，然后静置1小时，备用。
优选地，所述油相中的单体的质量含量为0.2％～2％。
在一种实施方式中，所述油相中的单体的质量含量为0.2％～2％，还可以选择0.2％、0.5％、1％、1.5％或2％。
优选地，所述水相中的单体包括哌嗪、间苯二胺和聚乙烯亚胺中的至少一种。
优选地，所述水相中的单体的质量含量为0.5％～5％。
在一种实施方式中，所述水相中的单体的质量含量为0.5％～5％，还可以选择0.5％、1％、2％、3％、4％或5％。
优选地，以质量百分比计，所述水相中还包括表面活性剂0.5％～2％。
在一种实施方式中，所述表面活性剂为0.5％～2％，还可以选择0.5％、1％、1.5％或2％。
优选地，所述表面活性剂包括樟脑磺酸钠和/或十二烷基磺酸钠。
优选地，所述水相的pH为10.5～12.6。
本发明中的水相溶液的制备方法，包括以下步骤：向纯水中加入水相的单体，在加入活性剂，在35℃下，搅拌1小时，然后静置1小时，备用。
优选地，所述油相的流速为0.5～5m/min，所述油相的温度为20～40℃。
在一种实施方式中，所述油相的流速为0.5～5m/min，还可以选择0.5m/min、1m/min、2m/min、3m/min、4m/min或5m/min。
在一种实施方式中，所述油相的温度为20～40℃，还可以选择20℃、25℃、30℃、35℃或40℃。
优选地，所述水相的流速为0.2～2m/min，所述水相的温度为20～40℃。
在一种实施方式中，所述水相的流速为0.2～2m/min，还可以选择0.2m/min、0.5m/min、1m/min、2m/min、3m/min、4m/min或5m/min。
在一种实施方式中，所述水相的温度为20～40℃，还可以选择20℃、25℃、30℃、35℃或40℃。
优选地，所述油相和所述水相的接触时间为1～5min。
在一种实施方式中，所述油相和所述水相的接触时间为1～5min，还可以选择1min、2min、3min、4mi或5min。
优选地，所述界面聚合处理后对所述腔室进行水洗。
优选地，所述水洗时间为1～3min。
优选地，所述水洗后进行干燥。
本发明一定时间后停止水相、油相的聚合反应，水相侧通入纯净水冲洗一定时间即可得到湿态中空滤芯，或者再用真空干燥烘箱干燥得到干态中空滤芯。
下面将结合具体的实施例和对比例对本发明作进一步地解释说明。
实施例1
一种中空滤芯的制备方法，包括以下步骤；
(a)将成束的中空聚丙烯纤维膜丝浸泡于改性涂覆液中5min，在纯净水中冲洗20s，取出后自然晾干，以备膜丝编织；所述改性涂覆液为醇解度为85％的聚乙烯醇，聚乙烯醇的预处理为：放入混料釜，在85℃下加热搅拌溶解7h，充分溶解后冷却至室温(25℃)；
(b)将步骤(a)中得到的改性中空纤维膜丝进行编织，相邻两根编织绳的间距为2cm，编织绳的直径为50μ直；所述编织绳是由单丝纤维编织而成，单丝纤维的直径为50～100旦，纤维材料为聚酰亚胺纤维，编织的速度为2～20m/min，编织过程的环境温度为20～40℃，湿度为20％～60％；膜丝外径0.4mm，滤芯膜丝有效面积为1.0m2；
(c)将编织好的滤芯卷成柱状式塞入相应滤芯中进行离心浇注，胶水采用F01胶，加入0.05％的催化剂N-乙基吗啉，待浇注完成后固化一定时间后，进行断面切割；与壳体结合得到中空纤维膜；
(d)对步骤(c)得到的中空纤维膜进行反向界面聚合处理，包括以下步骤：配制水相溶液：向纯水中加入一定量的哌嗪和樟脑磺钠酸，在35℃下，搅拌1小时，然后静置1小时，备用，哌嗪的质量含量为0.5％，樟脑磺钠酸的质量含量为1％；配制浓度为0.2g/L的均苯三甲酰氯的ParG溶液：向正己烷纯溶液中加入的均苯三甲酰氯，常温磁力搅拌1小时，然后静置1小时，备用；
中空纤维膜的膜丝内部通油相，膜丝外滤芯壳程走水相，逆向流动；控制膜丝内/外的油/水相流量和压力，油相的流速为2m/min，水相的流速为1m/min，水油的相接触时间2.5min，水相的温度30℃，油相的温度30℃。
一定时间后将停止水相、油相，水相侧通入纯净水冲洗2min即可得到湿态中空滤芯，或者再用真空干燥烘箱干燥得到干态中空滤芯。
本实施例中编织好的中空纤维膜丝图如图1所示。
本实施例完成浇注的中空滤芯如图2所示。
实施例2
一种中空滤芯的制备方法，除相邻两根编织绳的间距为5cm，其他条件同实施例1。
实施例3
一种中空滤芯的制备方法，除相邻两根编织绳的间距为1cm，其他条件同实施例1。
实施例4
一种中空滤芯的制备方法，除调节水相的pH为10.6，其他条件同实施例1。
实施例5
一种中空滤芯的制备方法，除调节水相的pH为11.6，其他条件同实施例1。
实施例6
一种中空滤芯的制备方法，除调节水相的pH为12.6，其他条件同实施例1。
对比例1
一种中空滤芯的制备方法，除中空纤维丝未经过编织，其他条件同实施例1。
对比例2
一种中空滤芯的制备方法，除水相中哌嗪的质量含量为0.2％，其他条件同对比例1。
对比例3
一种中空滤芯的制备方法，除水相中哌嗪的质量含量为1.0％，其他条件同对比例1。
实验例
对实施例1～6和对比例1～3得到的中空滤芯进行基本性能检测，结果如下1～3所示。测试条件为：采用2000ppm硫酸镁溶液，70psi进行测试；采用500ppm氯化钠溶液，50psi。
一、将对比例1～3得到的中空滤芯进行性能检测，如表1所示。
表1 对比例1～3的中空滤芯的基本性能
二、将实施例1～3得到的中空滤芯进行性能检测，如表2所示。
表2 实施例1～3中空滤芯的基本性能
由表1和表2可知，本发明中实施例1～3得到的经过编织后的滤芯比对比例1～3未经过编织的滤芯具有更高的通量及截留量。编织间隔为20mm得到的滤芯的通量和截留量较佳。
三、将实施例4～6得到的中空滤芯进行性能检测，如表3所示。
表3 实施例4～6中空滤芯的基本性能
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种中空滤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对预组装的滤芯内的中空纤维膜进行界面聚合处理；
所述预组装的滤芯包括壳体以及设置于所述壳体内的所述中空纤维膜；所述中空纤维膜和所述壳体之间形成腔室；所述中空纤维膜主要由编织后的中空纤维丝经卷制和浇注而成；
所述界面聚合处理包括以下步骤：所述中空纤维膜的膜丝内部通油相，所述腔室通水相，所述油相和所述水相的流向相反。
2.根据权利要求1所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述壳体上设置有进口和出口，所述中空纤维膜的至少一端设置有产水口。
3.根据权利要求1所述的中空滤芯，其特征在于，所述编织后的中空纤维丝包括经线和纬线，所述经线为中空纤维丝，所述纬线为编织绳；
优选地，相邻的两根所述编织绳的间距为1～5cm，所述编织绳的直径为20～100μm；
优选地，所述编织的速度为2～20m/min，编织过程的温度为20～40℃，湿度为20％～60％。
4.根据权利要求1所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述油相的单体包括均苯三甲酰氯；
优选地，所述油相的溶剂包括正乙烷；
优选地，所述油相中的单体的质量含量为0.2％～2％。
5.根据权利要求1所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述水相中的单体包括哌嗪、间苯二胺和聚乙烯亚胺中的至少一种；
优选地，所述水相中的单体的质量含量为0.5％～5％；
优选地，以质量百分比计，所述水相中还包括表面活性剂0.5％～2％；
优选地，所述表面活性剂包括樟脑磺酸钠和/或十二烷基磺酸钠；
优选地，所述水相的pH为8～12。
6.根据权利要求1所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述油相的流速为0.5～5m/min，所述油相的温度为20～40℃；
优选地，所述水相的流速为0.2～2m/min，所述水相的温度为20～40℃；
优选地，所述油相和所述水相的接触时间为1～5min。
7.根据权利要求1所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述界面聚合处理后对所述腔室进行水洗；
优选地，所述水洗时间为1～3min；
优选地，所述水洗后进行干燥。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述中空纤维丝的材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯中的至少一种；
优选地，所述中空纤维丝的外经为0.3～2.0mm，内径为0.2～1.8mm。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述中空纤维丝进行预处理，所述预处理包括：将所述中空纤维丝浸于改性剂中1～10min；
优选地，所述改性剂包括亲水高分子和/或无机微粒；
优选地，所述亲水高分子包括聚乙烯醇和/或壳聚糖；
优选地，所述聚乙烯醇的醇解度为78％～98％，分子量为2万～20万Da；
优选地，所述壳聚糖的分子量为10万～100万Da；
优选地，所述无机微粒包括二氧化硅和/或氧化铝；
优选地，所述无机微粒的粒径为10～200nm。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的中空滤芯的制备方法，其特征在于，所述浇注为离心浇注；
优选地，所述浇注中采用的胶料包括聚氨酯类胶料和/或环氧树脂类胶料；
优选地，所述胶料中还包括催化剂；
优选地，所述催化剂包括脂肪族胺类催化剂、醇类化合物催化剂和芳香族胺类催化剂中的至少一种；
优选地，所述催化剂的用量为所述胶料质量的0.025％～0.1％。
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- 2021-04-01 CN CN202110357578.2A patent/CN113083034A/zh active Pending
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