CN114618310A - 编织型中空纤维膜组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种编织型中空纤维膜组件及其制备方法，所述膜组件包括中空纤维膜束、容纳中空纤维膜束的壳体，壳体上设有流体入口和流体出口，中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布，中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束包括若干相互平行排布的编织束；编织束由多根直形中空纤维膜丝相互交织编织而成，各编织束中的每一根中空纤维膜丝均具有螺旋结构，各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。本发明提供的编织型中空纤维膜组件的制备方法简单，适用的膜材料广，可解决现有技术在制备弯曲中空纤维膜时存在的工艺复杂、适用的膜材料单一以及难以实现自支撑等问题。

Description

编织型中空纤维膜组件及其制备方法

技术领域

本发明属于过滤与分离技术领域，涉及编织型中空纤维膜组件及其制备方法。

背景技术

中空纤维膜具有大的比表面积和自支撑结构，单位体积膜组件具有高的装填密度，生产和组装成膜组件具有高度的可拓展性。工业上可大规模应用于环境保护、生物医药、化工以及食品等领域。但是，中空纤维膜的应用受到浓差极化和膜污染的限制。目前有多种方法来缓解这种限制，包括原料液预处理、膜清洗、膜表面改性、附加场强化以及改变膜表面的流体力学条件等。其中，改变膜表面的流体力学条件的适用面广，可拓展性强，受到了越来越多的关注。但无论是增加进料液流速，进料液气体喷射，还是膜振动，都是以较大的能耗来换取较低的传质增量。

迪恩涡是由于离心力和粘性力的相互作用而产生的一对反向旋涡，是一种典型的二次流。它可以在低雷诺数下产生涡流，加强传质，降低能耗。Motevalian等人(Twistedhollow fiber membranes for enhanced mass transfer.J.Membr.Sci.2016,514,586-594.)通过模拟发现，迪恩涡可有效增强中空纤维膜壁面的扰动，相比于直形中空纤维膜，螺旋形中空纤维膜可有效增强传质性能，减缓膜污染，其壁面剪切速率最高可到达直形中空纤维膜的3倍。Mendez等人(Membrane contactors for process intensificationofgas absorption into physical solvents:Impact ofdeanvortices.J.Membr.Sci.2017,530,20-32.)和Kaufhold等人(Generation ofDeanvortices and enhancement of oxygen transfer rates in membrane contactors fordifferent hollow fiber geometries.J.Membr.Sci.2012,423-424,342-347.)也通过模拟得出了相似的结论。

Luelf等人(Rope coiling spinning of curled and meandering hollow-fibermembranes.J.Membr.Sci.2016,506,86-94.)提出了一种连续生产卷曲和蜿蜒两种新的中空纤维几何形状的制造工艺。通过调节接收液的粘度，制备得到不同螺距，不同形状的螺旋、弯曲的中空纤维膜。制备的弯曲中空纤维膜形状多样，弯曲程度好，规则度高。但是，该工艺对膜材料的适用性窄，单根膜丝之间不易有效堆积，比表面积较小，不易推广使用。Li等人(Preparation of spiral porous stainless steel hollow fiber membranes by amodified phase inversion-sintering technique.J.Membr.Sci.2015,489,292-298.)通过改性相转化—烧结技术制备了螺旋多孔中空纤维膜。首先将铸膜液通过喷头喷丝制备得到中空纤维膜，然后将中空纤维膜在石英管或陶瓷管模具上卷曲成螺旋形状，将其与石英管或陶瓷管一起放入管式常压炉中烧结制成螺旋中空纤维膜。该膜的强度较高，性能好，但仅适用于用铸膜液制膜并可进行高温烧结的部分无机膜。Liu等人(Preparation ofcoiledhollow-fiber membrane and mass transfer performance in membraneextraction.J.Membr.Sci.2003,215(1-2),203-211.)提出了一种简单的溶剂溶胀和干法成型方法用于制备卷曲的中空纤维膜。首先将直形中空纤维盘绕在具有恒定外径和一定间距的不锈钢细棒上，然后将卷绕的纤维放入用有机溶剂饱和的水溶液中浸泡2天后取出，在室温下干燥，最后再制备具有某些几何结构的盘绕中空纤维，制得的中空纤维膜定型的稳定性较好。该方法操作简单，但要求中空纤维膜能在有机溶剂的水溶液中定型，同时该方法在不锈钢上进行缠绕，规则度不高，取下的螺旋中空纤维膜无法自支撑。

以上这些制备弯曲型中空纤维膜的方法工艺复杂，适用的膜材料单一，应用面窄，膜缺乏自支撑，难以在工业中大规模应用。若能以工业大规模生产的中空纤维膜为基础，开发出更加简单便捷的方法将其制备成可强化传质的中空纤维膜组件，将产生重要的工业应用价值。

发明内容

针对现有技术通过制备弯曲型中空纤维膜来改变膜表面流体力学条件、强化传质的方法存在的制备过程复杂，效果不显著，适用的膜材料有限以及应用面窄等问题，本发明提供了一种编织型中空纤维膜组件及其制备方法，以在实现中空纤维膜组件简单制备的同时提高过程强化效果，拓展膜材料的适用范围。

本发明主要的技术构思是，利用流体在弯曲结构的膜通道中流动会产生迪恩涡，如图1所示，迪恩涡可在流体处于层流时对流体产生扰动，减薄膜表面的滞留底层，强化传质。本发明采用将多根中空纤维膜丝相互交织编织的方式来构建具有规整的螺旋弯曲结构的编织束，将若干所述编织束组装成中空纤维膜束，进而构建得到具有螺旋弯曲结构的中空纤维膜组件。本发明的技术构思不同于现有生产单根具有螺旋弯曲结构中空纤维膜丝的思路，可解决现有技术在制备弯曲中空纤维膜时存在的工艺复杂、适用的膜材料单一、中空纤维膜难以自支撑等问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种编织型中空纤维膜组件，包括中空纤维膜束、容纳中空纤维膜束的壳体，壳体上设有流体入口和流体出口，中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布；

中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束包括若干相互平行排布的编织束；编织束由多根直形中空纤维膜丝相互交织编织而成，各编织束中的每一根中空纤维膜丝均具有螺旋结构，各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，中空纤维膜束的螺旋结构为均匀的螺旋结构或者不均匀的螺旋结构。均匀的螺旋结构是指中空纤维膜束的螺旋结构的螺距基本一致，不均匀的螺旋结构是指中空纤维膜束的螺旋结构的螺距存在相对较大的差异。螺旋结构越均匀，中空纤维膜束不同部位强化传质的能力就更趋于一致，其不同部位的抗污染性也更趋于一致，具有相对稳定的抗污染性能。当然，根据实际应用需求的不同，所述螺旋结构也可以是不均匀的螺旋结构，例如，为了强化中空纤维膜束在某些部位的抗污染性能，或者是逐步强化中空纤维膜不同部位的抗污染性能，可以将中空纤维膜束的螺旋结构设置为不均匀(螺距不均匀)的，或者是渐变(螺距渐变)的等形式。

进一步地，中空纤维膜束的螺旋结构中，螺距之间的相对误差不超过100％，进一步地，螺距之间的相对误差不超过50％。所述螺旋结构的螺距之间的相对误差的计算方式如下：螺旋结构的

其中，X为中空纤维膜束的螺旋结构的螺距的平均值，x为中空纤维膜束的螺旋结构的任意一个螺距的值。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，中空纤维膜束中，螺旋结构的螺距大于等于直形中空纤维膜丝的外径并且不超过50mm。具体的螺距根据实际应用需求，由分离的流体的性质、采用的中空纤维膜丝的结构及性能等因素综合确定。

为了确保各中空纤维膜丝相互交织编织形成的编织束的螺旋结构的形态和螺距更容易满足实际应用需求，上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，所述编织束优选由2～10根直形中空纤维膜丝相互交织编织而成，更优选地，所述编织束由2～6根直形中空纤维膜丝相互交织编织而成。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，所述编织束由沿顺时针和沿逆时针方向循环运动的直形中空纤维膜丝彼此交织编织而成。可采用手工编织的方式，也可采用机械化的方式编织，现有技术是具备机械化编织的条件的，例如，参照编织绳索的方法和设备即可实现机械化编织。根据编织时各中空纤维膜丝之间的相对位置关系的不同，可将中空纤维膜丝编织成类似于管状编织绳索结构的编织束，也可以将中空纤维膜丝编织成类似于带状编织绳索结构的编织束。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，将若干编织束的两端分别粘接固定于一体并相互平行排布形成中空纤维膜束，这种形式的中空纤维膜束中，各中空纤维膜丝的两端相互之间分别由粘接剂粘接固定为一体，各中空纤维膜丝的两端是开口的；或者，将U型弯折后的若干编织束的自由端粘接固定于一体并相互平行排布的形成中空纤维膜束，这种形式的中空纤维膜束可以包括两种形式，一种是各中空纤维膜丝在U型弯折后，各中空纤维膜丝的两端(自由端)分别由粘接剂粘接为一体，各中空纤维膜丝的两端是开口的，一端作为流体进口，另一端作为流体出口；另一种是死端过滤的形式，各中空纤维膜丝在U型弯折后，将各中空纤维膜丝的两端(自由端)合并并由粘接剂粘接为一体，各中空纤维膜丝的两端是开口的，两端都作为流体进口。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，根据实际应用需求的不同，中空纤维膜组件中的编织束的数量可能会有所不同。当中空纤维膜束中的编织束足够多的时候，中空纤维膜束可以实现自支撑，此时无需依赖支撑件的支撑；当中空纤维膜束的数量不足以让中空纤维膜束实现自支撑时，上述中空纤维膜组件中还包括支撑件，各编织束固定在支撑件上形成中空纤维膜束。进一步地，所述支撑件包括沿壳体长度方向设置的支撑杆和位于支撑杆两端部的固定板，固定板上设有若干用于固定中空纤维膜束的孔结构。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，中空纤维膜可以是无机膜或有机膜，可以是现有技术中的商用中空纤维膜，也可以是自制的中空纤维膜。例如，常见的中空纤维膜的材质可以包括聚丙烯酸、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯混合纤维酯、硝酸纤维素、醋酸纤维素、再生纤维素、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯以及石墨烯等，但不限于以上这些材质。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，中空纤维膜束的长度根据实际应用需求进行确定，例如，中空纤维膜的束的长度可以在10～10000mm之间选择，中空纤维膜丝的直径通常不超过2mm。

上述编织型中空纤维膜组件的技术方案中，中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布是本领域的常规技术手段，所述的封头可以包括进口封头和出口封头，将封头固定于中空纤维膜束的两端之后固定于壳体内。

本发明还提供了上述编织型中空纤维膜组件的制备方法，包括以下步骤：

①将多根直形中空纤维膜相互交织编织形成编织束，编织束中的各中空纤维膜均具有螺旋结构，各直形中空纤维膜相互交织编织形成的螺旋结构的轴线方向一致；

②将若干编织束相互平行排布组成中空纤维膜束；

③将中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并使中空纤维膜束沿壳体的长度方向分布，即得编织型中空纤维膜组件。

与现有技术相比，本发明的技术方案产生了以下有益的技术效果：

1.本发明提供了一种编织型中空纤维膜组件，包括中空纤维膜束、容纳中空纤维膜束的壳体，壳体上设有流体入口和流体出口，中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布，中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束包括若干相互平行排布的编织束；编织束由多根直形中空纤维膜丝相互交织编织而成，各编织束中的每一根中空纤维膜丝均具有螺旋结构，各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。本发明采用将多根直形中空纤维膜丝相互交织编织的方式来构建具有规整的螺旋弯曲结构的编织束，利用若干所述编织束组装成中空纤维膜束，进而构建得到具有螺旋弯曲结构的中空纤维膜组件。相对于现有技术生产单根具有螺旋弯曲结构中空纤维膜丝的方法，本发明可解决现有技术在制备弯曲中空纤维膜时存在的工艺复杂、适用的膜材料单一、中空纤维膜难以实现自支撑等问题。

2.本发明可以自制或者商用的直形中空纤维膜为基础来构建具有螺旋弯曲结构膜通道的中空纤维膜组件，是在现有成熟的直形中空纤维膜制膜技术的基础上进行膜组件的构建，中空纤维膜材料选择多样，受膜材种类的限制小，也不用单独去制备弯曲结构的中空纤维膜，制备方法简单，同时，采用现有技术成熟的中空纤维膜，过滤性能稳定，应用场景明确。

3.本发明将多根直形中空纤维膜丝相互交织编织的方式来构建具有规整的螺旋弯曲结构的编织束，具备机械化编织的条件，有利于规模化的量产和工业应用，并且单位体积中空纤维膜组件的膜面积更大，过滤效率更高，同时，在中空纤维膜组件中编织束的数量较多时，还可以实现自支撑，解决了现有单根弯曲型中空纤维膜存在的难易自支撑的不足。

4.本发明通过实验证实，相对于直型中空纤维膜组件，本发明提供的编织型中空纤维膜组件在不同的进料液流速下都具有更高的跨膜水通量，对不同浓度的进料液也具有更高的跨膜水通量；经过长时间的过滤后，本发明提供的编织型中空纤维膜组件仍然具有更高的跨膜水通量。说明本发明采用的编织型中空纤维膜组件可有效地强化传质，缓解膜污染。

附图说明

图1是弯曲膜通道产生迪恩涡的示意图，图中，Rc代表弯曲膜曲率半径，a代表中空纤维膜半径。

图2是本发明所述中空纤维膜组件的结构示意图，其中的(A)图是整体结构示意图，(B)是壳体局部剖开后的示意图。

图3的(A)(B)两图分别是实施例1中的支撑件和中空纤维束的结构示意图。

图4的(A)(B)两图分别是实施例1中的中空纤维束和编织型中空纤维膜组件的实物照片。

图5的(A)(B)两图分别是实施例2中的支撑件和中空纤维束的结构示意图。

图6是实施例3中的支撑件的结构示意图。

图2～5中，1—中空纤维膜束、2—壳体、3—编织束、4—支撑件。

图7是进料液流速对中空纤维膜组件平均跨膜通量的影响，图中，S3代表编织型中空纤维膜组件，R3代表直型中空纤维膜组件。

图8是进料液石墨烯颗粒浓度对中空纤维膜组件平均跨膜通量的影响，图中，S3代表编织型中空纤维膜组件，R3代表直型中空纤维膜组件。

图9是长时间过滤对中空纤维膜组件跨膜通量的影响，图中，S3代表编织型中空纤维膜组件，R3代表直型中空纤维膜组件。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明所述编织型中空纤维膜组件及其制备方法作进一步的说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例中，提供编织型中空纤维膜组件，如图2所示，该中空纤维膜组件包括中空纤维膜束1、容纳中空纤维膜束的壳体2，壳体上设有流体入口和流体出口。

中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束由支撑件4和三束固定在支撑件上的编织束3组成。各编织束由两根直形中空纤维膜丝由沿顺时针和沿逆时针方向循环运动的直形中空纤维膜丝彼此交织编织而成，即由两根直形中空纤维膜丝相互缠绕编织而成，编织束中的各中空纤维膜丝均具有基本均匀的螺旋结构；中空纤维膜束的螺旋结构中，螺距之间的相对误差不超过10％。各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。

如图3的(A)图所示，所述支撑件由沿壳体长度方向设置的支撑杆和位于支撑杆两端部的固定板，将固定板分别命名为上固定板和下固定板，各固定板上均设有三组用于固定中空纤维膜束的通孔，每组包括两个通孔，上固定板和下固定板上的通孔同轴设置。支撑件由光敏树脂材料制作。如图3的(B)图所示，各编织束以相互平行排布的方式固定在支撑件上，具体固定方式是编织束上端的两根中空纤维膜丝穿过上固定板的两个通孔并粘接固定，编织束的下端的两根中空纤维膜丝穿过下固定板的两个通孔并粘接固定。

中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布。

本实施例中以不同材质的中空纤维膜制备了具有不同螺距的中空纤维膜组件，膜组件中中空纤维膜束的长度为140mm，具体如下：

以聚偏氟乙烯中空纤维膜丝编织了平均螺距为20mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，然后将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

以聚丙烯酸中空纤维膜丝编织了平均螺距为24mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，其实物照片如图4的(A)图所示，由该图可以清晰地看到编织束中的各聚丙烯中空纤维膜丝具有均匀螺旋弯曲结构。将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件，其实物照片如图4的的(B)图所示。

以聚醚砜中空纤维膜丝编织了平均螺距为28mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，然后将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

实施例2

本实施例中，提供编织型中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件包括中空纤维膜束1、容纳中空纤维膜束的壳体2，壳体上设有流体入口和流体出口。

中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束由支撑件4和三束固定在支撑件上的编织束3组成。各编织束由三根直形中空纤维膜丝由沿顺时针和沿逆时针方向循环运动的直形中空纤维膜丝彼此交织编织而成，即由三根直形中空纤维膜丝以编“三股麻花辫”的方式彼此交织编织而成，编织束中的各中空纤维膜丝均具有基本均匀的螺旋结构，中空纤维膜束的螺旋结构中，螺距之间的相对误差不超过10％。各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。

如图5的(A)图所示，所述支撑件由沿壳体长度方向设置的支撑杆和位于支撑杆两端部的固定板，将固定板分别命名为上固定板和下固定板，各固定板上均设有三组用于固定中空纤维膜束的通孔，每组包括三个通孔，上固定板和下固定板上的通孔同轴设置。支撑件由光敏树脂材料制作。如图5的(B)图所示，各编织束以相互平行排布的方式固定在支撑件上，具体固定方式是编织束上端的三根中空纤维膜丝穿过上固定板的三个通孔并粘接固定，编织束的下端的三根中空纤维膜丝穿过下固定板的三个通孔并粘接固定。

中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布。

本实施例中以不同材质的中空纤维膜制备了具有不同螺距的中空纤维膜组件，膜组件中中空纤维膜束的长度为140mm，具体如下：

以聚偏氟乙烯中空纤维膜丝编织了平均螺距为20mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，然后将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

以聚丙烯酸中空纤维膜丝编织了平均螺距为24mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

以聚醚砜中空纤维膜丝编织了平均螺距为28mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，然后将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

实施例3

本实施例中，提供编织型中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件包括中空纤维膜束1、容纳中空纤维膜束的壳体2，壳体上设有流体入口和流体出口。

中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束由支撑件4和三束固定在支撑件上的编织束3组成。各编织束由四根直形中空纤维膜丝由沿顺时针和沿逆时针方向循环运动的直形中空纤维膜丝彼此交织编织而成，即将四根直形中空纤维膜丝编织成结构类似于管状编织绳索的编织束，编织束中的各中空纤维膜丝均具有基本均匀的螺旋结构，中空纤维膜束的螺旋结构中，螺距之间的相对误差不超过10％。各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。

如图6所示，所述支撑件由沿壳体长度方向设置的支撑杆和位于支撑杆两端部的固定板，将固定板分别命名为上固定板和下固定板，各固定板上均设有三组用于固定中空纤维膜束的通孔，每组包括四个(2行×2排)通孔，上固定板和下固定板上的通孔同轴设置。支撑件由光敏树脂材料制作。各编织束以相互平行排布的方式固定在支撑件上，具体固定方式是编织束上端的四根中空纤维膜丝穿过上固定板的四个通孔并粘接固定，编织束的下端的四根中空纤维膜丝穿过下固定板的四个通孔并粘接固定。

中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布。

本实施例中以不同材质的中空纤维膜制备了具有不同螺距的中空纤维膜组件，膜组件中中空纤维膜束的长度为140mm，具体如下：

以聚偏氟乙烯中空纤维膜丝编织了平均螺距为20mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，然后将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

以聚丙烯酸中空纤维膜丝编织了平均螺距为24mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

以聚醚砜中空纤维膜丝编织了平均螺距为28mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，然后将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

实施例4

本实施例中，提供自支撑的编织型中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件包括中空纤维膜束1、容纳中空纤维膜束的壳体2，壳体上设有流体入口和流体出口。

中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束由若干编织束3组成。各编织束由六根直形中空纤维膜丝由沿顺时针和沿逆时针方向循环运动的直形中空纤维膜丝彼此交织编织而成，即由六根直形中空纤维膜丝按照每股两根，以编“三股麻花辫”的方式彼此交织编织而成，编织束中的各中空纤维膜丝均具有基本均匀的螺旋结构，中空纤维膜束的螺旋结构中，螺距之间的相对误差不超过10％。各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。

将100束编织束的两端分别通过封头固定于一体并相互平行排布形成自支撑的中空纤维膜束；将该自支撑的中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布。

本实施例中以不同材质的中空纤维膜制备了具有不同螺距的中空纤维膜组件，膜组件中中空纤维膜束的长度为140mm，具体如下：

以聚四氟乙烯中空纤维膜丝编织了平均螺距为15mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，然后将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

以硝酸纤维素中空纤维膜丝编织了平均螺距为20mm的编织束，以三束该编织束为基础制备了中空纤维束，将中空纤维膜束的两端安装在壳体内，得到了编织型中空纤维膜组件。

对比例1

本对比例中，提供直型中空纤维膜组件，该直型中空纤维膜组件的结构与现有技术中的中空纤维膜组件的结构一致，包括中空纤维膜束、容纳中空纤维膜束的壳体，壳体上设有流体入口和流体出口。

所述中空纤维膜束由支撑件和三束固定在支撑件上的直型中空纤维膜束组成，所述支撑件由沿壳体长度方向设置的支撑杆和位于支撑杆两端部的固定板，将固定板分别命名为上固定板和下固定板，其结构类似于图5的(A)图所示意的支撑件，只是该支撑件的高度较实施例2中的支撑件更高。各固定板上均设有三组用于固定直型中空纤维膜束的通孔，每组包括三个通孔，上固定板和下固定板上的通孔同轴设置。支撑件由光敏树脂材料制作。每一束直型中空纤维膜束均是将三根直形中空纤维膜丝平行固定在支撑件上得到，具体的固定方式是将直形中空纤维膜丝穿过上固定板的通孔并粘接固定，将直形中空纤维膜丝穿过下固定板的通孔并粘接固定。

中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布。

本对比例中，中空纤维膜束的长度为146.7mm，与实施例2中平均螺距为24mm的编织型中空纤维膜组件中单根膜丝的长度一致。本对比例采用的中空纤维膜丝为聚丙烯酸中空纤维膜丝，膜丝的直径与实施例2中平均螺距为24mm的编织型中空纤维膜组件中的膜丝的直径相同。

实施例5

本实施例中，对实施例2中平均螺距为24mm的编织型中空纤维膜组件(记作S3)以及对比例1的直型中空纤维膜组件(记作R3)的跨膜水通量进行测试。

采用S3和R3两种中空纤维膜组件，使用错流过滤的方式在0.09MPa的恒定跨膜压力下进行跨膜水通量测试。具体如下：

(1)以质量浓度为10g/L的石墨颗粒溶液作为进料液，石墨颗粒的平均粒径为1200μm，分别控制进料液的流速为0.037m/s，0.059m/s，0.155m/s，0.309m/s，0.464m/s，测试每组进料液在前述各个流速下60min内的平均跨膜通量，结果如图7所示。

(2)以石墨颗粒溶液作为进料液，石墨颗粒的平均粒径为1200μm，控制进料液的流速为0.309m/s，分别控制进料液中石墨烯颗粒的浓度为0g/L，2g/L，5g/L，10g/L，20g/L，测试每组进料液在前述石墨烯颗粒浓度下60min内的平均跨膜通量，结果如图8所示。

(3)以质量浓度为10g/L的石墨颗粒溶液作为进料液，石墨颗粒的平均粒径为1200μm，控制进料液的流速为0.309m/s，测试12h内中空纤维膜组件的是石墨烯颗粒溶液的跨膜水通量随时间的变化关系，结果如图9所示。

由图7～8可知，相对于直型中空纤维膜组件，本发明提供的编织型中空纤维膜组件在不同的进料液流速下都具有更高的跨膜水通量，对不同浓度的进料液也具有更高的跨膜水通量。由图9可知，经过长时间的过滤后，相对于直型中空纤维膜组件，本发明提供的编织型中空纤维膜组件仍然具有更高的跨膜水通量。以上实验结果说明本发明采用的编织型中空纤维膜组件可有效地强化传质。

Claims (10)

1.一种编织型中空纤维膜组件，包括中空纤维膜束(1)、容纳中空纤维膜束的壳体(2)，壳体上设有流体入口和流体出口，中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并沿壳体的长度方向分布，其特征在于：

中空纤维膜束具有螺旋结构的弯曲膜通道，中空纤维膜束包括若干相互平行排布的编织束(3)；编织束由多根直形中空纤维膜丝相互交织编织而成，各编织束中的每一根中空纤维膜丝均具有螺旋结构，各直形中空纤维膜丝相互交织编织形成的螺旋结构的轴线的方向一致。

2.根据权利要求1所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，中空纤维膜束的螺旋结构为均匀的螺旋结构或者不均匀的螺旋结构。

3.根据权利要求2所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，中空纤维膜束的螺旋结构中，螺距之间的相对误差不超过100％。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，中空纤维膜束中，螺旋结构的螺距大于等于直形中空纤维膜丝的外径并且不超过50mm。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，所述编织束由2～10根直形中空纤维膜丝相互交织编织而成。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，所述编织束由沿顺时针和沿逆时针方向循环运动的直形中空纤维膜丝彼此交织编织而成。

7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，将若干编织束的两端分别粘接固定于一体并相互平行排布形成中空纤维膜束；或者，将U型弯折后的若干编织束的自由端粘接固定于一体并相互平行排布的形成中空纤维膜束。

8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，还包括支撑件(4)，各编织束固定在支撑件上形成中空纤维膜束。

9.根据权利要求8所述编织型中空纤维膜组件，其特征在于，所述支撑件(4)包括沿壳体长度方向设置的支撑杆和位于支撑杆两端部的固定板，固定板上设有若干用于固定中空纤维膜束的孔结构。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述编织型中空纤维膜组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将多根直形中空纤维膜相互交织编织形成编织束，编织束中的各中空纤维膜均具有螺旋结构，各直形中空纤维膜相互交织编织形成的螺旋结构的轴线方向一致；

②将若干编织束相互平行排布组成中空纤维膜束；

③将中空纤维膜束的两端通过封头固定于壳体内并使中空纤维膜束沿壳体的长度方向分布，即得编织型中空纤维膜组件。

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