新型微孔薄膜复合过滤介质的研究开发

人们在对机织过滤介质污 染机理的研究 中发 现, 大幅度增加或减小过滤介质的孔径均有利于减 轻介质的污染。但是增大孔径 , 过滤介质的截留能 力显著降低, 甚至会失去过滤作用; 而减小孔径 , 介质对流体的阻力可能会有很大的提高 , 但对过滤 指标的影响不 是很大, 对成饼过滤尤为如 此[ 1, 2] 。 因此 , 减小过滤介质的孔径, 并使介质的孔隙结构 简单化 , 已成 为国内外开发防 污过滤介质的 基本 趋势。 对于机织过滤介质, 不管是纱线间的孔隙还是 纱线内的孔隙, 固体颗粒极易以 镶嵌 、 架桥 、 夹层 、 栓塞 和 黏附 等 5 种形式滞留其中 , 从而导致过滤介质堵塞。此外 , 机织过滤介质经纬 线上下交叠的组织 结构很容易使固体颗 粒以 夹 层 方式将介 质堵塞[ 3] 。为 了避免具 有这样组 织 结构的机织过滤介质直接接触被过滤的固液两相体 系, 可以在机织过滤介质表面复合一层光滑平整的 多孔薄膜 , 这种薄膜能将机织过滤介质粗糙的表面 覆盖, 从而减 小固体颗粒进入 过滤介质内部 的几 率, 并提高过滤介质的卸饼率。此外, 表面亲水的 过滤介质要比表面疏水的滤材容易污染 , 且卸饼率 较低[ 4] , 因此 , 本 文作者所开发 的新型微孔薄 膜 复合 过 滤介 质 接触 滤 饼侧 的表 面 具 有一 定 的 疏 水性。
第一作者简介
康 勇 ( 1968 ∀ ) , 男 , 博士 , 副教 授。电 话 022 -
第6期
康勇等 : 新型微孔薄膜复合过滤介质的研究开发
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滤过程中。这种复合过滤介质的显著特点是孔隙不 堵塞 , 滤液浊度低, 使用寿命长; 其缺点是薄膜与 机织物黏合不牢固, 这是目前层压技术用于复合膜 过滤介质中的一个最难解决的问题。有鉴于此, 在 开发新的微孔薄膜复合过滤介质时在加工方法的选 择上需另辟蹊径。
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工

进
展 2003 年第 22 卷第 6 期
CHEM ICA L I NDU ST RY A ND ENG IN EERIN G PR OGRESS
新型微孔薄膜复合过滤介质的研究开发
康 勇1 姚 鹏1 孔新军1 罗 茜2 胡筱敏2
( 1 天津大学化工学院 , 天津 300072; 2 东北大学环境工程系 , 沈阳 110006) 摘 要 根据减小孔径和改善接触滤饼侧的过滤介质 孔隙结 构有利于 减轻介 质污染 的原则 , 利 用凝固 涂层的 方
一起的一种新型过滤材料。一般组成复合过滤介质 各层的材质不同, 且有明确的分工, 接触滤饼侧的 为过滤层, 接触滤液侧的为支撑层。 最早开发出的具有复合过滤介质性质的产品是 滤纸 + 滤布 型 的[ 5] , 其中滤纸由 美国 EatenDikeman 公司生产 , 滤布为常规机织布或无纺布, 使用时将滤纸浸湿覆盖到滤布上即可。当时这种复 合过滤介质主要用来过滤饮食行业的油类物质 , 如 可可汁、鱼肝油、豆油、亚麻油和蔬菜汁等。这种 滤纸+ 滤布 型的复合介质具有 4 个优点 , 即过 滤高效快速、成本低廉、滤液澄清度较高及介质使 用寿命较长等。 20 世纪 70 年代初 W L Gore 研制成功一种薄 膜材 质 为 聚 四 氟 乙 烯 的 复 合 过 滤 介 质 ( Gore R [ 6] T ex ! ) 。这种复合过滤材料属于 薄膜 + 滤 布 型 , 薄膜与滤布通过层压的方式叠合到一起。其生 产过程是先将 PT FE 微粉熔融成膜, 薄膜经双向拉 伸高温处理 , 产生许多微孔 , 其中孔隙的大小可由 拉 伸 力 的 强 弱 来 控 制; 加 工 好 的 薄 膜 以 层 压 ( lam inat e) 的 方 式叠 合到 基布 上。薄 膜 厚度 约为 20 m, 开孔面积为 80% 左右。在显微镜下可以观 察到薄膜是由许多结点、细丝相互连结而成的网状 物。这种过滤介质一般加工成滤袋, 与管式过滤机 配套使用, 广泛应用于化工、造纸、颜料、环保、 湿法冶金、陶瓷等涉及微细物料的净化、增浓和过
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浓无机酸和碱则不稳定。为了克服这一缺点, 对溶 解于 CT 101 中 的 T PU 用 CT 201 共混改性 , 增强 其耐酸碱能力。为了改善涂层膜表面的光滑程度和 润湿性能, 加入少量的 CT 202。 涂层剂的配制过程如图 1 所示。
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2 新型微孔薄膜复合过滤介质的开发 方案
新型微孔薄膜复合过滤介质是针对机织过滤介 质在过滤中所存在的问题而开发的。在过滤过程中 机织滤布除了易被污染之外, 还存在以下缺点: ( 1) 使用寿命较短 , 更换频繁 , 过滤设备的作 业率较低 , 运营费较高; ( 2) 滤液的含 固量较高 , 固体物 料的流失 较 多, 输送滤液的管道易被磨损 , 大多数情况下滤液 必须进一步处理 , 否则将造成环境污染或导致过滤 作业复杂化; ( 3) 对于气压和真空过滤, 在滤饼脱水阶段气 耗量极高 , 能耗较大 ; ( 4) 对于部分物料 , 卸饼困难。 其实 , 机织过滤介质的诸多缺点均是由这类介 质孔型复杂、孔径分布不均及表面粗糙等自身问题 所造成的。针对机织过滤介质的上述缺点, 本文作 者拟研制开发一种新型微孔薄膜复合过滤介质, 这 种过滤介质应能克服常规机织滤布的这些缺点。 2 1 功能设计 本研究所开发的微孔薄膜复合过滤介质应具有 ( 1) 极 高 的 固 体 截 留 率, 滤 液 浊 度 不 高 于 50 g/ g ; ( 2) 良好的抗污染能力和较长的使用寿命; ( 3) 滤速稳定 , 抗污染能力强; ( 4) 表面光滑 , 具有良好的疏水性, 滤饼与介 质表面不粘连, 卸饼率不低于 95% ( 质量分数 ) ; ( 5) 良好的抗酸碱能力, 在中、弱酸碱环境中 介质性质稳定; ( 6) 和常规机织滤布相比, 新型复合过滤介质 的气耗量较低。 为了保证复合过滤介质具有这些功能, 薄膜应 具备如下特点: ( 1) 有较高的孔隙度, 微孔大小可以通过药剂 配方和制膜条件来调节; ( 2) 具有良好的弹性, 能完全匹配基布的各种
法开发出一种 具有良好防污性能的微孔薄膜复合过 滤介质 。 它是以常 规机织 滤布为 基布 , 复合 一层微 孔薄膜 而 成的 。该复合 滤材的微孔膜具有良好的弹性和耐酸碱能力 , 且与基布黏合良好 , 膜表面平滑 且具有可 控疏水性 。 复合滤布的孔径为 1 41~ 9 12 m, 孔隙度为 59 33% ~ 79 84% 。 在 过滤过 程中 , 悬 浮液中固 体颗粒 难以进 入 微孔薄膜复合过滤介质的孔隙中 , 介质的抗污染能力良好 , 滤液浊度小 , 过滤速度稳定 , 且气耗量低 。 关键词 过滤介质 , 污染 , 微孔薄膜 , 凝固涂层 T Q 050 3 文献标识码 A 文章编号 1000- 6613( 2003) 06- 0606- 04 中图分类号
力学形变, 且与基布黏合良好; ( 3) 表 面光滑 , 呈疏 水性, 并 具有 一定 的抗 酸、碱能力 ; ( 4) 复合介质的力学性能由基布来承担 , 基布 的断裂强度和断裂伸长率不因复合薄膜而降低 ; ( 5) 价格低廉, 这是降低微孔薄膜复合过滤介 质成本的基础。 2 2 加工方法 目前国内外所开发的微孔薄膜复合过滤介质均 属于涂层织物( 薄膜 + 基布 型) , 即采用涂层的 方法制作而成。涂层是纺织工业中一种用途广泛的 织物后处理方法, 主要用来加工一些功能性织物材 料 , 如各种蓬布 ( 防雨布、遮阳布、帐篷、软性屋 顶等 ) 、人造革、提包和服装面料、装饰性织物和 医用纱布等。由于织物涂层是在织物上覆盖一层高 分子材料或其他物质, 所以目前人们仍习惯于将其 纳入纺织品染整技术 范畴 , 但实际 上它和一般 纺织品整理有较大的差异, 对于产业用纺织品尤其 如此。织物经涂层后, 涂层剂在织物表面形成连续 的薄膜 , 独立承担某种功能, 织物只起支撑作用, 如微孔薄膜复合过滤介质。这样的产品, 与其说是 整理后的纺织品, 不如说是一种复合材料。 目前涂层的方法分为直接涂层、转移涂层、凝 固涂层和层压。直接涂层是将涂层剂直接涂覆到织 物上并经过烘干处理的一种工艺 , 所用的涂层剂分 为溶液型、乳液型、乳液泡沫型、增塑糊型和被有 机溶剂稀释的增塑糊型等。转移涂层是将涂层剂涂 到片状载体上使它形成连续、均匀的薄膜 , 然后再 在薄膜上涂黏合剂和织物叠合, 经烘干和固化 , 把 载体剥离, 这时薄膜就会从载体转移到织物上。因 此 , 涂层剂、载体 ( 离型纸 ) 和基布是转移涂层的 3 个组成部分。凝固涂层 , 又称湿法涂层, 它与直接 涂层和转移涂 层最大的差别是前者在 凝固浴中成 膜 , 后二者是在烘干中成膜。当涂层较厚时, 烘干 成膜容易使膜 表面产生较多的突体而 影响产品质 量。凝固涂层加工方法简单 , 成孔率高, 产品性能 优异 , 是国内外公认的 高档次涂层织 物的加工方 法。这种方法虽然起步较晚 , 但发展速度很快。在 涂层织物生产领域内, 凝固涂层与另外两种涂层方 法占有同等重要的地位。层压是把一层或多层织物 ( 或无纺布) 黏结, 或织物与高聚物薄膜以及其他薄 片状材料黏结到一体 , 形成兼有多种 功能的复合 体 , 因此层压织物又称黏合织物或叠层织物, 美国 的 Gore- T ex ! 滤材和日本的 EVA- FL EECE ! 织物
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T PU 是 一 种 典 型 的 多 嵌 段 共 聚 物, 具 有 ABABAB % %的嵌段结构 , 嵌段由柔软的二元醇链 和带有氨基甲酸酯基的刚性二异氰酸酯链组成。因 此, 这种嵌段结构可以分为软段区和硬段区 , 软段 部分极易运动, 通常以缠卷状态与刚性的硬段交替 存在于 T PU 分子链中[ 8] 。嵌段聚氨酯根据其主链 结构中硬段的化学性质、长度以及相分离的程度 , 在硬段分子链( 二级结构 ) 斜线方向的平行线间形成 了若干相邻的三维 结构区。这 种结构具有次 晶性 质, 其硬段间链内的相互作用是聚氨酯具有良好机 械性能的因素之一。分子链的相对运动又使 T PU 具有良好的回弹性, 特别是低温挠性。分子链的运 动性能在很大程度上取决于软段的化学性质及其链 的长度。软段越 是呈无定形状 态、玻璃化温 度越 低, T PU 的 弹性 特 别是 抗冲 击 性 能越 好。由 于 T PU 具有特殊的分子链及链间的相互作用 , 因而 其具有良好的耐 辐射、耐臭 氧、耐油、介电性 能 好、弹性大、延伸率高的特点。这种高分子物质又 溶于强极性有机溶剂中, 在水中能形成孔隙度较高 的薄膜, 因此选择 T PU 作为涂层剂的主要成分。 配制涂层剂时选择 CT 101 作为 T PU 的溶剂。 虽然 T PU 对矿物油和脂肪的稳定性好, 但对