TW201634115A - 多通道的中空纖維 - Google Patents
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Abstract
一種多通道的中空纖維，係包括具有第一端及第二端之管狀基質；以及貫穿該管狀基質且延伸於該第一端及該第二端之間的複數螺旋通道，其中，該螺旋通道之螺距為1至30cm。本揭露之多通道的中空纖維，能提升氣體及液體之吸附或分離效率，同時，該多通道的中空纖維之吸附材料含量可提升至95wt%，且具有好的機械強度。
Description
本揭露係有關於一種多通道的中空纖維，尤係關於可作為吸附材料或過濾膜之中空纖維。
傳統吸附材料在實際應用上，仍以傳統造粒、壓碇之顆粒為主。在吸附材料完成吸附或反應結束後，從再生熱脫附及降溫過程，需耗時數小時以上，另一種常見的脫附方式為變壓吸附法，也因為吸附材料的高傳輸阻抗與高壓力差，而必需在高壓力下操作，因而上述兩種脫附方式皆花費多餘材料成本及能源耗損。
另外，單一直孔中空纖維吸附材料之吸附效率與特性比傳統造粒吸附材料高出2至3倍吸附能力，並具有低的傳質阻力特性，壓力損失更是比傳統填充管柱低於100倍以上。然而，直孔中空纖維吸附材料之筆直中空通道，在應用於高流速氣體或液體吸附上，因其低壓差之緣故，減少氣體或液體分子與吸附材料之接觸時間與傳輸路徑，故目前無法輕易取代傳統吸附顆粒材料之應用。同時，直孔中空纖維吸附材料經由相轉換方式(phase-inversion process)，其吸附材料之固含量及密度偏低，即使目前業界
使用黏著劑來提升吸附輪或柱狀吸附材之固含量及密度，但因為直孔中空纖維吸附材料之固含量過高亦會降低吸附材料的機械強度，且使用黏著劑，則造成氣體或液體之物質傳輸受到極大的阻力。
因此，如何提升中空纖維的效率以及纖維強度，實已成為目前亟欲解決的課題。
一種多通道的中空纖維，係包括具有第一端及第二端之管狀基質；以及貫穿該管狀基質且延伸於該第一端及該第二端之間的複數螺旋通道，其中，該螺旋通道之螺距為1至30cm。
本揭露另提供一種多通道的中空纖維，係包括具有第一端及第二端之管狀基質；以及貫穿該管狀基質且延伸於該第一端及該第二端之間的複數通道，其中，各該通道與該管狀基質之外壁最接近時的距離為0.5至2.5mm，該通道之孔徑為0.1至10mm，任二相鄰之該通道之間距為0.5至2.5mm，俾使該多通道的中空纖維用於吸附。
本揭露的中空纖維可使氣體或液體分子於通道中產生亂流，傳輸路徑較直孔中空纖維路徑增加2至4倍以上，進而提高氣體及液體之吸附與分離效率，並縮短吸附床長度。同時，複數通道的中空纖維之吸附劑經由相轉換方式，可提升含量至95wt%，且由於中空纖維具有複數通道的因素，作為吸附使用或過濾使用之該中空纖維具有高的機械強度。
1‧‧‧紡絲裝置
10、10’、10”‧‧‧紡絲頭
101‧‧‧管體
101a‧‧‧注入口
101b‧‧‧噴嘴
102‧‧‧套筒
102a‧‧‧注入口
103‧‧‧第一套件
103a‧‧‧注入口
104‧‧‧第二套件
104a‧‧‧注入口
20‧‧‧馬達
20a‧‧‧傳動帶
3a‧‧‧二個通道之中空纖維
3b‧‧‧三個通道之中空纖維
3c‧‧‧四個通道之中空纖維
3d‧‧‧五個通道之中空纖維
3e‧‧‧六個通道之中空纖維
3f‧‧‧七個通道之中空纖維
30‧‧‧中空纖維
30a‧‧‧第一端
30b‧‧‧第二端
30c‧‧‧管狀基質之外壁
301‧‧‧管狀基質
302‧‧‧第一包覆層
303‧‧‧第二包覆層
31‧‧‧通道
d1、d2、d4、d5、d6‧‧‧距離
d3‧‧‧螺距
第1圖係顯示製備中空纖維之紡絲裝置示意圖；第2圖係顯示製備雙層之中空纖維之紡絲裝置示意圖；第3圖係顯示製備三層之中空纖維之紡絲裝置示意圖；第4A圖係顯示具體實施例之中空纖維剖面圖；第4B圖係顯示中空纖維具有複數通道之不同態樣示意圖；第4C圖係顯示具有第一包覆層之中空纖維剖面圖；第4D圖係顯示具有第二包覆層之中空纖維剖面圖；第5圖係顯示正己烷吸附穿透曲線圖；第6圖係顯示二氧化碳吸附穿透曲線圖；第7圖係顯示水氣吸附穿透曲線圖；第8圖係顯示製備例16之中空纖維之脫鹽率測試結果；以及第9圖係顯示製備例16之中空纖維之產水率測試結果。
以下藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝
之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本揭露可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本揭露所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本揭露所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「一」、「第一」、「第二」及「第三」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本揭露可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本揭露可實施之範疇。
本揭露提供一種多通道中空纖維之製法，係包括利用一紡絲頭形成中空纖維前驅物，並視需要於製程中旋轉該紡絲頭，俾於該中空纖維前驅物於凝結液中凝結後，在該中空纖維中形成複數通道。
如第1圖所示，係顯示製備中空纖維之紡絲裝置的一具體實施例，該紡絲裝置1係包括紡絲頭10，該紡絲頭10具有管體101及圈環該管體101之套筒102。該管體101及套筒102中分別注入有內孔液及第一紡絲液，例如自注入口101a注入內孔液，自注入口102a注入第一紡絲液，並可利用馬達20帶動傳動帶20a，旋轉該紡絲頭10。
根據上述之說明，該內孔液係通過該紡絲頭之該管體。該內孔液的實例包括，但不限於：水、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丙酮、二甲基乙醯胺(DMAc)、1-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、二甲基甲醯胺(DMF)及其混合物。
如欲形成螺旋通道時，當該內孔液通過該管體，旋轉
紡絲頭以形成螺旋通道。於一具體實施例中，如欲製備用於吸附之多通道的中空纖維，則該第一紡絲液包括聚合物及吸附劑。通常，該聚合物係選自由聚碸(polysulfone,PSF)、聚醚碸(polyethersulfone,PESF)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)、聚苯碸(polyphenylsulfone,PPSU)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、醋酸纖維素、二醋酸纖維素、聚亞醯胺(polyimide,PI)、聚醚醯亞胺、聚醯胺、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)(poly(lactic-co-glycolic acid))、聚幾內酯、聚乙烯氫吡咯酮(polyvinyl pyrrolidone)、伸乙基乙烯醇(ethylene vinyl alcohol)、聚二甲基矽氧烷、聚四氯乙烯及乙酸纖維素(cellulose acetate,CA)所組成群組之至少一者。
根據上述實施例中，該吸附劑係為粉體，且該粉體之複數粒子係具有0.005至500μm之粒徑，且該粉體之複數粒子具有二維或三維孔洞結構，且孔洞係為規則或不規則者；或者該吸附劑係指與氣體或液體分子產生吸引或吸附等特性之材料。舉例而言，該吸附劑係選自由A型沸石(例如3A、4A或5A)、X型沸石(例如10X)、Y型沸石(例如13X)、高矽分子篩(例如ZSM-5、矽土石(silicalite)、HiSiv1000、HiSiv3000、HiSiv6000、Abscent1000、Abscent2000、Abscent3000、USKY-700、USKY-790及USKZ2000)及中孔洞分子篩(例如MCM-41、48、50及SBA-15)所組成群組之至少一者。此外，該吸附劑亦可為碳分子篩或活性碳。
於一具體實施例中，該第一紡絲液之製備方法，係將
聚合物置入1L的玻璃瓶中。隨後，加入溶劑，其中，該溶劑為可溶解聚合物且能與該內孔液及凝結液互溶之溶劑。該溶劑的實例包括，但不限於：DMAc、NMP、DMF、1,4-二氧陸圜(1,4-dioxane)、丙酮及其混合物。再者，將上述混合物置於滾筒式攪拌器，轉速為50至100rpm，攪拌約12至24小時，直到混合物完全溶解。
於製備用於吸附之多通道的中空纖維的具體實施例中，紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例為1：1至1：8。於另一具體實施例中，該聚合物與溶劑之重量比例為1：4至1：6。
於製備用於過濾之多通道的中空纖維的具體實施例中，紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例為1：1至1：8。更具體而言，如該用於過濾之多通道的中空纖維係具有有機材料者，紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例亦可為1：1至1：4。如該用於過濾之多通道的中空纖維係經鍛燒而使其材質為無機材料者，紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例以1：1至1：6為佳。
接著，在攪拌該聚合物及溶劑的情況下，例如轉速為1000至3000rpm，緩慢加入吸附劑，攪拌6至24小時。
於製備用於吸附之多通道的中空纖維的具體實施例中，該聚合物與吸附劑之重量比例為1：1至1：20。
於製備用於過濾之多通道的中空纖維的具體實施例中，且該用於過濾之多通道的中空纖維係具有有機材料者時，紡絲液中可添加選自吸附劑、導電材料及催化材料所
組成群組之至少一者之功能性材料，且以該聚合物和功能性材料二者整體計算，該聚合物含量為80至低於100wt%，該功能性材料含量為大於0至20wt%。
如該用於過濾之多通道的中空纖維係經鍛燒而使其材質為無機材料者，則以該紡絲液中固含量整體計算，該聚合物為5至35wt%，該紡絲液中其餘的為添加該無機材料。該添加之無機材料可包括吸附劑。如含有吸附劑，該吸附劑與其餘無機材料之比例為1：20至20：1，並無特別限制，且以該紡絲液中固含量整體計算，該無機材料及吸附劑之總和為65至95wt%。該吸附劑係選自由A型沸石、X型沸石、Y型沸石、高矽分子篩及中孔洞分子篩所組成群組之至少一者，該無機材料係選自由氧化鐵、氧化銅、鈦酸鋇、鈦酸鉛、氧化鋁、二氧化矽、氣凝膠(silica aerogel)、皂土(例如鉀皂土、鈉皂土、鈣皂土及鋁皂土)、瓷土(例如Al2O3．2SiO2．2H2O)、hyplas土(例如20%Al2O3．70%SiO2．0.8%Fe2O3．2.3%K2O．1.6%Na2O)、矽酸鈣(例如Ca3SiO5、Ca3Si2O7及CaSiO3)、矽酸鎂(例如Mg3Si4O10(OH)2)、矽酸鈉(例如Na2SiO3及其水合物(hydrate))、無水硫酸鈉、矽酸鋯(例如ZrSiO4)、不透明鋯(例如53.89%SiO2．4.46%Al2O3．12.93%ZrO2．9.42%CaO．2.03%MgO．12.96%ZnO．3.73%K2O．0.58%Na2O)、碳化矽、偏矽酸鉛玻料(例如65%PbO．35%SiO2)、倍半矽酸鉛玻料(例如71.23%PbO．28.77%SiO2)、低脹玻料(例如0.1%Li2O．3.6%CaO．3.3%ZnO．2.4%MgO．8.2%Al2O3．63.6%SiO2．
17.8%B2O3)、軟硼砂玻料(例如10.3%(Li2O+Na2O+K2O)．14%(CaO+MgO)．3.3%ZnO．7.5%Al2O3．50%SiO2．18%B2O3)及標準硼砂玻料(例如14.22%CaO．0.16%MgO．1.56%K2O．9.01%Na2O．7.63%Al2O3．49.45%SiO2．17.93%B2O3)所組成群組之至少一者。
另外，上述之催化材料係指具催化能力之金屬元素及金屬氧化物，舉例而言，可選自鈷、鈀、鉑、釕、銠等具催化能力之金屬元素，以及可選自氧化鐵、氧化銅、鈦酸鋇、鈦酸鉛、氧化鋁、二氧化鈰、氧化硼等金屬氧化物。
根據上述實施例，將製備好的混合物置於滾筒式攪拌器，轉速為50至100rpm，進行脫泡(degas)24至48小時，以形成第一紡絲液。
另外，於第1圖所示之實施例中，該管體101具有沿該管體101之軸向形成之至少三個噴嘴101b，各該噴嘴101b相對於該管體101口徑係彼此間隔對稱分佈，是以，當欲製備用於吸附之該多通道的中空纖維時，該噴嘴101b與套筒102內璧之最短距離太短的情況下，容易造成紡絲過程失敗，例如穿孔現象；反之，太長則造成氣體或液體傳輸阻力太大而造成吸附或分離效率變差。因此，該套筒102內壁與該噴嘴101b外壁之最短距離係0.5至2.5mm，亦即，最靠近該套筒102內壁之一該噴嘴位置與該套筒102內壁之距離d1係0.5至2.5mm。另外，該任二相鄰之該噴嘴的間距為0.5至2.5mm。另一方面，如欲製備用於過濾之中空纖維，最靠近該套筒102內壁之一該噴嘴位置與該
套筒102內壁之距離d1係0.1至1.0mm。另外，該任二相鄰之該噴嘴的間距為0.1至1.0mm。
注入該套筒102中之第一紡絲液包覆經該至少三個噴嘴101b各自噴出之內孔液，俾於該內孔液及第一紡絲液離開該紡絲頭10時，形成中空纖維前驅物。
於一具體實施例中，為使該中空纖維前驅物凝結，可準備一容置有凝結液之容器，使該中空纖維前驅物於凝結液中凝結，其中，該凝結液係選自由水、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丙酮、二甲基乙醯胺(DMAc)、1-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、二甲基甲醯胺(DMF)及其混合物。最後，收取該經凝結之中空纖維前驅物，予以乾燥後，形成該多通道的中空纖維。
在前述製法中，當欲予形成直通道時，則不須使用馬達20帶動傳動帶20a，反之，如欲予形成螺旋通道時，係利用馬達20帶動傳動帶20a，以10至30rpm之轉速旋轉該紡絲頭10，其中，該轉速越快，則螺距的距離越近，諸如當以10rpm之轉速旋轉該紡絲頭10時，則螺距約為20公分，當以30rpm之轉速旋轉該紡絲頭10時，則螺距約為2公分。需特別說明，該螺距係指一個完整螺形旋轉的寬度，其係平行於該中空纖維之軸而測量，進一步而言，螺距與針頭轉速成反比，而轉速與針頭直徑成反比。
於一實施例中，該至少三個噴嘴101b係外露出該套筒102，其中，該距離d2為0至1公分，欲予避免紡絲過程造成阻塞。
如第2圖所示，係顯示另一紡絲頭之實施態樣。
如圖所示，該紡絲頭10’復包括圈環該套筒102之第一套件103，俾自該第一套件103之注入口103a注入第二紡絲液，以供形成具有第一包覆層的中空纖維，其中，該第一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外。
於製備用於吸附之多通道的中空纖維的具體實施例中，第二紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例為1：1至1：8。於另一具體實施例中，該聚合物與溶劑之重量比例為1：4至1：6。
此外，於製備用於吸附之多通道的中空纖維的具體實施例中，當該多通道的中空纖維僅具有二層之層結構時，較佳地，第二紡絲液中係包括聚合物、或聚合物與吸附劑二者，而不含導電材料，是以，該第二紡絲液中，以該聚合物和吸附劑二者整體計算，該聚合物含量為20wt%以上。需特別說明，當管狀基質中該吸附劑選自碳分子篩或活性碳時，該管狀基質亦可同時兼具導電與吸附功能。
另一方面，於製備用於吸附之多通道的中空纖維的具體實施例中，當該多通道的中空纖維具有二層以上之多層結構時，該第二紡絲液包括聚合物及導電材料，且以固含量整體計算，該導電材料含量為20至80wt%。倘若該第二紡絲液包括吸附劑，該導電材料含量為20至低於80wt%，該吸附劑含量為大於0至低於60wt%。
於製備用於過濾之多通道的中空纖維的具體實施例
中，第二紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例為1：1至1：8。更具體而言，如該用於過濾之多通道的中空纖維係具有有機材料者，第二紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例亦可為1：1至1：4。如該用於過濾之多通道的中空纖維係經鍛燒而使其材質為無機材料者，第二紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例以1：1至1：6為佳。此外，於製備用於過濾之多通道的中空纖維的具體實施例中，且該用於過濾之多通道的中空纖維係具有有機材料者時，第二紡絲液中可添加選自吸附劑、導電材料及催化材料所組成群組之至少一者之功能性材料，且以該聚合物和功能性材料二者整體計算，該聚合物含量為80至低於100wt%，該功能性材料含量為大於0至20wt%。如該用於過濾之多通道的中空纖維係經鍛燒而使其材質為無機材料者，則以該第二紡絲液中固含量整體計算，該聚合物為5至35wt%，該第二紡絲液中其餘的為添加無機材料。
如第3圖所示，係顯示又一紡絲頭之實施態樣。
如圖所示，該紡絲頭10”復包括圈環該第一套件103之第二套件104，俾自該第二套件104之注入口104a注入第三紡絲液。
於製備用於吸附之多通道的中空纖維的具體實施例中，第三紡絲液中之聚合物與溶劑之重量比例為1：1至1：8。於另一具體實施例中，該聚合物與溶劑之重量比例為1：4至1：6。
此外，於製備用於吸附之多通道的中空纖維的具體實
施例中，當該多通道的中空纖維具有二層以上之多層結構時，該第三紡絲液包括聚合物。
又，於一實施例中，該第三紡絲液復包括吸附劑，且以固含量整體計算，該聚合物含量為20至低於100wt%，該吸附劑含量為大於0至80wt%。
於製備用於過濾之多通道的中空纖維的具體實施例，可參考前述第二紡絲液之調配，準備第三紡絲液。
另一方面，如欲製備無機材質且用於過濾之多通道的中空纖維時，可令凝結之中空纖維前驅物於清水中浸泡24至48小時，隨後於環境中乾燥，例如2至4天，之後將其置於加熱爐中加熱，例如於600℃加熱5小時，再經1.5℃/分鐘的速度將溫度升至900℃，然後以2.5℃/分鐘升至1100℃，再以1℃/分鐘升至1500℃，再於1500℃鍛燒10至12小時以獲得最終無機材料含量為100wt%的中空纖維。
如第4A圖所示，將經由紡絲頭所製備之螺旋通道的中空纖維30進行示意剖面分析，其中，取具有二個通道之中空纖維3a作為實例。需特別強調，該剖面僅以雙通道之剖面表示，其中，螺距d3為1.0至30cm。更詳細說明，該紡絲頭10之轉速越快，則螺距的距離越近，諸如當以10rpm之轉速旋轉該紡絲頭10時，則螺距約為20公分，當以30rpm之轉速旋轉該紡絲頭10時，則螺距約為2公分。需特別說明，該螺距係指一個完整螺形旋轉的寬度，其係平行於該中空纖維之軸而測量。
又如第4B圖所示，依據噴嘴101b的數目，可分別具有2、3、4、5、6或7個之通道，諸如具有二個通道之中空纖維3a、具有三個通道之中空纖維3b、具有四個通道之中空纖維3c、具有五個通道之中空纖維3d、具有六個通道之中空纖維3e、具有七個通道之中空纖維3f。具體說明，該第4B圖之複數通道示意圖係可為直通道或螺旋通道，不特別限制，以具有二個通道之中空纖維3a為例說明，距離d4係指該通道31與該管狀基質之外壁30c的距離可為0.5至2.5mm、或為0.1至1.0mm，距離d6係指該通道之孔徑，可為0.1至10mm，或是0.1至2.5mm，而距離d5係指任二相鄰之該通道31之間距，可為0.5至2.5mm、或為0.1至1.0mm。
此外，於又一具體實施例中，該管體可具有一中央噴嘴，例如，該管體可具有沿該管體之軸向形成之至少四個噴嘴，且其中一該噴嘴位於該管體之中央，其餘的噴嘴則在該位於中央之噴嘴的周圍，俾使中空纖維之管狀基質中具有中央通道，如第4B圖(d)、(e)及(f)所示。
根據前述之製法，係可提供一種多通道的中空纖維，如第4A圖所示之多通道的中空纖維30係包括：具有第一端30a及第二端30b之管狀基質301；以及貫穿該管狀基質301且延伸於該第一端30a及該第二端30b之間的複數螺旋通道31，其中，該螺旋通道31之螺距為1至30cm。
於一具體實施例中，該中空纖維係用於吸附，各該螺旋通道與該管狀基質之外壁最接近時的距離為0.5至2.5
mm，該通道之孔徑為0.1至10mm，任二相鄰之該螺旋通道之間距為0.5至2.5mm。此外，該管狀基質包括聚合物及吸附劑，且以該管狀基質之總重計，該吸附劑含量為50至95wt%。
如第4C圖所示，於用於吸附之中空纖維的一具體實施例中，該中空纖維30復包括第一包覆層302，係包覆該管狀基質301，並令該管狀基質301之第一端30a及第二端30b顯露於外，其中，該第一包覆層302係包括聚合物，且以該第一包覆層之總重計，該聚合物含量為20wt%以上。
於用於吸附之中空纖維的另一具體實施例中，該中空纖維復包括第一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外，其中，該第一包覆層包括聚合物及導電材料，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至80wt%。在此實施例中，該第一包覆層復可包括吸附劑，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至低於80wt%，該吸附劑含量為大於0至低於60wt%。此外，如第4D圖所示，該中空纖維復可包括第二包覆層303，係包覆該第一包覆層302，使該第一包覆層302位於該管狀基質301與第二包覆層303之間，其中，該第二包覆層303包括聚合物。
又，於另一實施例中，該第二包覆層303復包括吸附劑，且以該第二包覆層之總重計，該聚合物含量為20至低於100wt%，該吸附劑含量為大於0至80wt%。
於用於過濾之中空纖維的一具體實施例中，各該螺旋
通道與該管狀基質之外壁最接近時的距離為0.1至1.0mm，該通道之孔徑為0.1至2.5mm，任二相鄰之該通道之間距為0.1至1.0mm。此外，在此實施例的一態樣中，該管狀基質係無機材料，且該無機材料係可包括吸附劑。亦或者，該管狀基質係包括聚合物，例如含量為100wt%之聚合物；或者該管狀基質除了包括聚合物，復包括選自吸附劑、導電材料及催化材料所組成群組之至少一者之功能性材料，且以該管狀基質之總重計，該聚合物含量為80至低於100wt%，該功能性材料含量為大於0至20wt%。
於用於過濾之中空纖維的一具體實施例中，亦可復包括至少一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外。
根據前述之製法，復可提供另一種多通道的中空纖維，係包括：具有第一端及第二端之管狀基質；以及貫穿該管狀基質且延伸於該第一端及該第二端之間的複數通道，其中，各該通道與該管狀基質之外壁最接近時的距離為0.5至2.5mm，該通道之孔徑為0.1至10mm，任二相鄰之該通道之間距為0.5至2.5mm，俾使該多通道的中空纖維用於吸附。於具體實施例中，該複數通道係為直通道，意指未經馬達帶動傳動帶形成螺旋通道者。
於一具體實施例中，該管狀基質包括聚合物及吸附劑，且以該管狀基質之總重計，該吸附劑含量為50至95wt%。此外，該中空纖維復可包括第一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外，
其中，該第一包覆層係包括聚合物，且以該第一包覆層之總重計，該聚合物含量為20wt%以上。
於另一具體實施例中，該中空纖維係包括包覆該管狀基質之第一包覆層，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外，其中，該第一包覆層包括聚合物及導電材料，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至80wt%。在此實施例中，該第一包覆層復包括吸附劑，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至低於80wt%，該吸附劑含量為大於0至低於60wt%。此外，本實施例中，該中空纖維復可包括第二包覆層，係包覆該第一包覆層，使該第一包覆層位於該管狀基質與第二包覆層之間，其中，該第二包覆層包括聚合物，亦可進一步包括吸附劑。
在本揭露中，如該中空纖維包括第二包覆層，且該第二包覆層含有吸附劑時，該吸附劑係以非具有導電性質為佳。換言之，管狀基質和第一包覆層中之吸附劑係選自由碳分子篩、活性碳、A型沸石、X型沸石、Y型沸石、高矽分子篩及中孔洞分子篩所組成群組之至少一者。該第二包覆層中之吸附劑係不含碳分子篩和活性碳。
此外，如前所述，本揭露所述之聚合物係可選自由聚碸、聚醚碸、聚偏二氟乙烯、聚苯碸、聚丙烯腈、醋酸纖維素、二醋酸纖維素、聚亞醯胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)、聚幾內酯、聚乙烯氫吡咯酮、伸乙基乙烯醇、聚二甲基矽氧烷、
聚四氯乙烯及乙酸纖維素所組成群組之至少一者。當然，各層中的聚合物可為相同或不同。
本揭露所述之該導電材料係無特別限制，可選自由金屬氧化物、碳分子篩、活性碳、碳黑及石墨所組成群組之至少一者。
取100公克的PESF置入1公升的玻璃瓶中，加入500毫升的NMP，放置於滾筒式攪拌器以50rpm的速度旋轉攪拌12小時，使PESF完全溶解形成混合液。接著，將該混合液放置於高速攪拌器以1000rpm的速度旋轉攪拌，並緩慢加入500公克的HiSiv3000(購自Honeywell UOP公司)，攪拌6小時後，再將混合液放置於滾筒式攪拌器以50rpm的速度旋轉攪拌24小時進行脫泡，形成第一紡絲液。
其次，將該第一紡絲液倒入不鏽鋼壓力槽，經由4bar的氣體壓力將該紡絲液注入具有單針頭之紡絲頭中，同時，該紡絲頭每分鐘注入4毫升的溶劑，其中，該針頭之直徑為0.9mm，長度為1.0cm，距離d1為1.0mm，且該針頭至該套筒的最短距離d2為0.5mm。
隨後，經由該紡絲頭之套筒的出口端流出紡絲液，收集該中空纖維置於水中24小時，並自然晾乾後形成單通道之中空纖維。
相同於製備例1之製法，不同處在於當該第一紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有螺旋通道的單通道之中空纖維。
相同於製備例1之製法，不同處在於該紡絲頭具有七個針頭，其中，該針頭之直徑為0.9mm，長度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該七個針頭之彼此間距為1.0mm，欲予形成具有七通道之中空纖維。
相同於製備例3之製法，不同處在於當該第一紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有七個螺旋通道之中空纖維。
相同於製備例1之製法，不同處在於將該HiSiv3000置換成13X材料(購自Honeywell UOP公司)，形成單通道之中空纖維。
相同於製備例5之製法，不同處在於當該第一紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有螺旋通道的單通道之中空纖維。
相同於製備例5之製法，不同處在於該紡絲頭具有七個針頭，其中，該針頭之直徑為0.9mm，長度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該七個針頭之彼此間距為1.0mm，欲予形成具有七通道之中空纖維。
相同於製備例7之製法，不同處在於當該第一紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有七個螺旋通道之中空纖維。
相同於製備例1之製法，不同處在於將該HiSiv3000置換成13X材料，完成第二紡絲液，如第2圖所示，將製備例1之第一紡絲液及本實施例之第二紡絲液分別注入第一紡絲液之注入口102a及第二紡絲液之注入口103a，其中，該紡絲頭具有七個針頭，該針頭之直徑為0.9mm，長
度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該七個針頭之彼此間距為1.0mm，欲予形成具有雙層纖維之具有七通道的中空纖維。
相同於製備例9之製法，不同處在於當該第一及第二紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有雙層纖維之具有七個螺旋通道的中空纖維。
相同於製備例1之製法，不同處在於將該HiSiv3000置換成石墨，完成第二紡絲液。如第3圖所示，將本實施例之第二紡絲液注入第二紡絲液之注入口103a，而將製備例1之紡絲液作為第一紡絲液及第三紡絲液，分別注入第一紡絲液之注入口102a及第三紡絲液之注入口104a，其中，該紡絲頭具有七個針頭，該針頭之直徑為0.9mm，長度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該七個針頭之彼此間距為1.0mm，欲予形成具有三層纖維之具有七通道的中空纖維。
相同於製備例11之製法，不同處在於當該第一、第二及第三紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有三層纖維之具有七個螺旋通道的中空纖維。
相同於製備例1之製法，不同處在於HiSiv3000置換成氧化鋁(購自Alfa Aesar公司)，以及該紡絲頭具有七個針頭，其中，該針頭之直徑為0.9mm，長度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該紡絲頭具有該七個針頭之彼此間距為1.0mm，當該第一紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有七個螺旋通道之無機中空纖維薄膜之前驅物。隨後，將前驅物置於水中24小時，並自然晾乾後，將其於加熱爐中根據溫度程序進行加熱燒結。先於600℃加熱5小時，再經1.5℃/分鐘的速度將溫度升至900℃，然後以2.5℃/分鐘升至1100℃，再以1℃/分鐘升至1500℃。於1500℃鍛燒10至12小時後，以獲得最終的七個螺旋通道之中空纖維。
相同於製備例13之製法，不同處在於PESF置換成PVDF，且不添加氧化鋁，亦無須經過鍛燒處理，其中，該針頭之直徑為0.7mm，長度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該紡絲頭具有該七個針頭之彼此間距為0.5mm，當該第一紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，將中空纖維置於水中24小時，並自然晾乾後，欲予形成具有七個螺旋通道之中空纖維。
相同於製備例1之製法製備第二紡絲液，不同處在於將該HiSiv3000置換成比例為5：1之二氧化矽及aerogel(氣凝膠)。如第2圖所示，將製備例13之第一紡絲液及本實施例之第二紡絲液分別注入第一紡絲液之注入口102a及第二紡絲液之注入口103a，其中，該紡絲頭具有七個針頭，該針頭之直徑為0.9mm，長度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該七個針頭之彼此間距為1.0mm，當該第一及第二紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有七個螺旋通道之雙層無機中空纖維薄膜前驅物。將中空纖維置於水中24
小時，並自然晾乾後，將其於加熱爐中根據溫度程序進行加熱燒結。一開始於600℃加熱5小時，再經1.5℃/分鐘的速度將溫度升至900℃，然後以2.5℃/分鐘升至1100℃，再以1℃/分鐘升至1500℃。於1500℃鍛燒10至12小時後，以獲得最終的七個螺旋通道之雙層中空纖維。
相同於製備例15之製法，不同處在於該第一紡絲液中之氧化鋁置換成聚四氯乙烯(PTFE)，而該第二紡絲液中之PESF置換成PVDF，如第2圖所示，將本實施例中第一紡絲液及第二紡絲液分別注入第一紡絲液之注入口102a及第二紡絲液之注入口103a，其中，該紡絲頭具有七個針頭，該針頭之直徑為0.7mm，長度為1.0cm，且該針頭至該套筒的最短距離為0.5mm，以及該七個針頭之彼此間距為0.5mm，當該第一及第二紡絲液準備經由該紡絲頭之套筒的出口端流出時，啟動紡絲頭上之帶動馬達，使該紡絲頭以20rpm(約4cm螺距)的速度自旋，欲予形成具有七個螺旋通道之雙層中空纖維。
前述製備例之材料及條件係紀錄於下表1
將製備例1至4之中空纖維作為吸附材，進行正丁烷之吸附實驗(3000ppm,20L/min)所得吸附穿透曲線圖，如第5圖所示，製備例4之具有七個螺旋通道之中空纖維的吸附時間較長，增加反應路徑，延長吸附材的接觸時間，使得吸附材在重量、壓力與氣體流量相同的情況下，製備例4之具有七個螺旋通道之中空纖維能具有較高之吸附量(capacity,g,adsorbate/g,adsorbent%)，如下表2所示，製備例4之具有七個螺旋通道之中空纖維比製備例1的單通道之中空纖維吸附效率約提升10%，且製備例4之具有七個螺旋通道之中空纖維，其吸附劑含量可提升至將近87wt%。
將製備例5、6及8之中空纖維作為吸附材與市售之UOP 13X顆粒進行二氧化碳之吸附實驗(3000ppm,1L/min)所得吸附穿透曲線圖，如第6圖及下表3所示，製備例8之中空纖維比市售之UOP 13X顆粒之吸附量提升約
150%，且吸附劑含量可提升至85wt%。
將製備例5、6及8之中空纖維作為吸附材與市售之UOP 13X顆粒進行水氣之吸附實驗(3000ppm,1L/min)所得吸附穿透曲線圖，如第7圖所示，製備例8之中空纖維比市售之UOP 13X顆粒之吸附效率優異，且製備例8之中空纖維可將吸附氣體在沒有吸附壓力情況下，將氣體之水份降至-60℃(dew-point)，且吸附時間長達7.6小時，比市售之UOP 13X顆粒高出2至3小時。
將製備例16之七個螺旋通道之雙層中空纖維薄膜，進行高濃度鹽水之脫鹽實驗(水中初始導電度值：54ms/cm；水溫度差：40℃)，所得之脫鹽率及產水率如第8圖及第9圖所示，該中空纖維之脫鹽效率優異，且在無過濾壓力下，可得脫鹽率>99.9%，且穩定操作9小時以上。
由上可知，本揭露一種複數通道的中空纖維，以該管
狀基質之總重計，當該吸附劑含量為50至95wt%時，具有高吸附效率，且相較於直通道之中空纖維，具有螺旋通道之中空纖維更具高吸附效率，且吸附劑含量亦可高於直通道之中空纖維的吸附劑含量，同時，由於本揭露之中空纖維具有複數通道的因素，使得該中空纖維仍具有高的機械強度，具體而言，作為吸附使用之多通道中空纖維之機械強度可提升80至120Mpa，含有無機材之過濾使用的多通道中空纖維之機械強度可提升350至450Mpa，以及作為復包含聚合物之過濾使用的多通道中空纖維之機械強度可提升30至50Mpa。
1‧‧‧紡絲裝置
10‧‧‧紡絲頭
101‧‧‧管體
101a‧‧‧注入口
101b‧‧‧噴嘴
102‧‧‧套筒
102a‧‧‧注入口
20‧‧‧馬達
20a‧‧‧傳動帶
d1、d2‧‧‧距離
Claims (30)
- 一種多通道的中空纖維，係包括：具有第一端及第二端之管狀基質；以及貫穿該管狀基質且延伸於該第一端及該第二端之間的複數螺旋通道，其中，該螺旋通道之螺距為1至30cm。
- 如申請專利範圍第1項所述之多通道的中空纖維，其中，該中空纖維係用於吸附，各該螺旋通道與該管狀基質之外壁最接近時的距離為0.5至2.5mm，該通道之孔徑為0.1至10mm，任二相鄰之該螺旋通道之間距為0.5至2.5mm。
- 如申請專利範圍第2項所述之多通道的中空纖維，其中，該管狀基質包括聚合物及吸附劑，且以該管狀基質之總重計，該吸附劑含量為50至95wt%。
- 如申請專利範圍第3項所述之多通道的中空纖維，復包括第一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外，其中，該第一包覆層係包括聚合物，且以該第一包覆層之總重計，該聚合物含量為20wt%以上。
- 如申請專利範圍第3項所述之多通道的中空纖維，復包括第一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外，其中，該第一包覆層包括聚合物及導電材料，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至80wt%。
- 如申請專利範圍第5項所述之多通道的中空纖維，其中，該第一包覆層復包括吸附劑，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至低於80wt%，該吸附劑含量為大於0至低於60wt%。
- 如申請專利範圍第5項所述之多通道的中空纖維，復包括第二包覆層，係包覆該第一包覆層，使該第一包覆層位於該管狀基質與第二包覆層之間，其中，該第二包覆層包括聚合物。
- 如申請專利範圍第7項所述之多通道的中空纖維，其中，該第二包覆層復包括吸附劑，且以該第二包覆層之總重計，該聚合物含量為20至低於100wt%，該吸附劑含量為大於0至80wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之多通道的中空纖維，其中，該中空纖維係用於過濾，各該螺旋通道與該管狀基質之外壁最接近時的距離為0.1至1.0mm，該通道之孔徑為0.1至2.5mm，任二相鄰之該通道之間距為0.1至1.0mm。
- 如申請專利範圍第9項所述之多通道的中空纖維，其中，該管狀基質係無機材料所形成者。
- 如申請專利範圍第9項所述之多通道的中空纖維，其中，該管狀基質係包括聚合物。
- 如申請專利範圍第11項所述之多通道的中空纖維，其中，該管狀基質復包括選自吸附劑、導電材料及催化材料所組成群組之至少一者之功能性材料，且以該管 狀基質之總重計，該聚合物含量為80至低於100wt%，該功能性材料含量為大於0至20wt%。
- 如申請專利範圍第9項所述之多通道的中空纖維，其中，復包括至少一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外。
- 如申請專利範圍第3及11項中任一項所述之多通道的中空纖維，其中，該聚合物係選自由聚碸、聚醚碸、聚偏二氟乙烯、聚苯碸、聚丙烯腈、醋酸纖維素、二醋酸纖維素、聚亞醯胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)、聚幾內酯、聚乙烯氫吡咯酮、伸乙基乙烯醇、聚二甲基矽氧烷、聚四氯乙烯及乙酸纖維素所組成群組之至少一者。
- 如申請專利範圍第3及12項中任一項所述之多通道的中空纖維，其中，該吸附劑係選自由碳分子篩、活性碳、A型沸石、X型沸石、Y型沸石、高矽分子篩及中孔洞分子篩所組成群組之至少一者。
- 如申請專利範圍第8項所述之多通道的中空纖維，其中，該管狀基質之吸附劑係選自由碳分子篩及活性碳所組成群組之至少一者，該第二包覆層之吸附劑係選自由A型沸石、X型沸石、Y型沸石、高矽分子篩及中孔洞分子篩所組成群組之至少一者。
- 如申請專利範圍第5及12項中任一項所述之多通道的中空纖維，其中，該導電材料係選自由金屬氧化物、碳分子篩、活性碳、碳黑及石墨所組成群組之至少一 者。
- 如申請專利範圍第10項中任一項所述之多通道的中空纖維，其中，該無機材料係選自由氧化鐵、氧化銅、鈦酸鋇、鈦酸鉛、氧化鋁、二氧化矽、氣凝膠、皂土、瓷土、hyplas土、矽酸鈣、矽酸鎂、矽酸鈉、無水硫酸鈉、矽酸鋯、不透明鋯、碳化矽、偏矽酸鉛玻料、倍半矽酸鉛玻料、低脹玻料、軟硼砂玻料及標準硼砂玻料所組成群組之至少一者。
- 如申請專利範圍第12項所述之多通道的中空纖維，其中，該催化材料係選自金屬元素及金屬氧化物之至少一者。
- 一種多通道的中空纖維，係包括：具有第一端及第二端之管狀基質；以及貫穿該管狀基質且延伸於該第一端及該第二端之間的複數通道，其中，各該通道與該管狀基質之外壁最接近時的距離為0.5至2.5mm，該通道之孔徑為0.1至10mm，任二相鄰之該通道之間距為0.5至2.5mm，俾使該多通道的中空纖維用於吸附。
- 如申請專利範圍第20項所述之多通道的中空纖維，其中，該管狀基質包括聚合物及吸附劑，且以該管狀基質之總重計，該吸附劑含量為50至95wt%。
- 如申請專利範圍第21項所述之多通道的中空纖維，復包括第一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外，其中，該第一包覆層 係包括聚合物，且以該第一包覆層之總重計，該聚合物含量為20wt%以上。
- 如申請專利範圍第21項所述之多通道的中空纖維，復包括第一包覆層，係包覆該管狀基質，並令該管狀基質之第一端及第二端顯露於外，其中，該第一包覆層包括聚合物及導電材料，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至80wt%。
- 如申請專利範圍第23項所述之多通道的中空纖維，其中，該第一包覆層復包括吸附劑，且以該第一包覆層之總重計，該導電材料含量為20至低於80wt%，該吸附劑含量為大於0至低於60wt%。
- 如申請專利範圍第23項所述之多通道的中空纖維，復包括第二包覆層，係包覆該第一包覆層，使該第一包覆層位於該管狀基質與第二包覆層之間，其中，該第二包覆層包括聚合物。
- 如申請專利範圍第25項所述之多通道的中空纖維，其中，該第二包覆層復包括吸附劑，且以該第二包覆層之總重計，該聚合物含量為20至低於100wt%，該吸附劑含量為大於0至80wt%。
- 如申請專利範圍第21項中任一項所述之多通道的中空纖維，其中，該聚合物係選自由聚碸、聚醚碸、聚偏二氟乙烯、聚苯碸、聚丙烯腈、醋酸纖維素、二醋酸纖維素、聚亞醯胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)、聚幾內酯、聚 乙烯氫吡咯酮、伸乙基乙烯醇、聚二甲基矽氧烷、聚四氯乙烯及乙酸纖維素所組成群組之至少一者。
- 如申請專利範圍第21項中任一項所述之多通道的中空纖維，其中，該吸附劑係選自由碳分子篩、活性碳、A型沸石、X型沸石、Y型沸石、高矽分子篩及中孔洞分子篩所組成群組之至少一者。
- 如申請專利範圍第26項所述之多通道的中空纖維，其中，該管狀基質之吸附劑係選自由碳分子篩及活性碳所組成群組之至少一者，該第二包覆層之吸附劑係選自由A型沸石、X型沸石、Y型沸石、高矽分子篩及中孔洞分子篩所組成群組之至少一者。
- 如申請專利範圍第23項中任一項所述之多通道的中空纖維，其中，該導電材料係選自由金屬氧化物、碳分子篩、活性碳、碳黑及石墨所組成群組之至少一者。
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