中空纤维膜讲课教案

1 中空纤维膜的制备方法及原理
• 中空纤维状超滤膜的外径为0.5～2μm。特点是直 径小，强度高 , 不需要支撑结构，管内外能承受较 大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜 的内表面积很大，能有效提高渗透通量。
• 中空纤维膜的制备方法大致可分为3类:即溶液纺 丝、熔融纺丝和半熔融纺丝。
1. 1 溶液纺丝法
• 溶液纺丝法是一种较成熟的中空纤维膜成形方法, 常采用干湿法纺丝工艺。按制膜液的组成和配比 配置纺丝液,经熟化脱泡后,经插入管式纺丝喷头, 再经溶剂挥发、凝胶后成膜,经牵引绕于绕丝轮上 备用。溶液纺丝是向纤维空心部分供液体,其成孔 原理主要是在丝条凝固过程中,溶剂与非溶剂发生 双扩散,使聚合物溶液变为热力学不稳定状态,既 而发生液液或固液相分离,聚合物富相固化构成膜 的主体,而聚合物贫相则形成所谓的孔结构,形成 内外表面为致密层,内部有指状孔结构作为支撑层 的纤维膜。
况好，但制造装配要求 高、清洗检修不方便， 不能处理悬浮液浓度较 高的料液。可用于微滤 、超滤和反渗透。
超滤微滤卷式膜组件
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中空纤维式膜组建
• 中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比 所有其他组件大, 最高可达到30000m2/m3。中空 纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量的中 空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以 环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中 空纤维组件的一端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束 流动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后 从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从 膜组件的另一端流出。
2. 3 含氟高分子类
• 聚偏氟乙烯（PVDF)中空纤维膜是一种新兴膜材料 , 可以在140摄氏度下高温灭菌和射线消毒等特点 。聚偏氟乙烯中空纤维多孔膜的径向断面结构一 般为非对称结构,即由分离皮层与多孔支撑层组成 。聚偏氟乙烯中空纤维膜组件单位体积装填密度 大, 组件产水量大,分离孔径在 0.05-0.22 m,过 滤精度高且动态过滤,抗阻塞能力强及无相态变化 ,不需要在水中投加絮凝剂,对过滤体系无污染。
2.2 芳香杂环类
• 聚酰亚胺(PI)是一类具有良好化学稳定性和热稳 定性的高分子材料,它由芳香二元酸酐和二元胺缩 聚而成,因分子主链上含有刚性的芳环结构,具有 很好的耐热性及机械强度的耐溶剂性能。研究人 员在PI中空纤维膜的形态及气体分离性能的研究 中,分析了内部和外部凝固剂的化学性质 、 凝固温 度的影响;用聚酰亚胺和磺化聚芳醚砜共混改性代 替原本单一的中空纤维膜,用于压缩空气除湿实验 , 取得了很好的效果。
• 近年来,国内工作科研人员对聚偏氟乙烯膜进行了 大量的研究,用不同的方法改善膜的亲水性能,提 高了膜的孔隙率和通水量。如:将PVC或亲水聚合 物材料(PMMA 增 韧 剂 、 改性聚醚硅油等)对聚偏氟 乙烯材料进行共混改性;研究高分子添加剂、表面 活性剂、非溶剂等混合复配纺丝添加剂及纺丝液 中聚偏氟乙烯树脂固含量对膜性能的影响;对聚偏 氟乙烯滤膜进行辐照接枝改性的研究。
1. 2 熔融纺丝法
• A 熔融纺丝拉伸法述
• 所谓熔融纺丝-拉伸法(MSCS)是指将聚合物在高应 力下熔融挤出,在后拉伸过程中,使聚合物材料垂 直于挤出方向平行排列的片晶结构被拉开形成微 孔,然后通过热定型工艺使孔结构得以固定。就其 致孔机理而言,即聚合物之间相容性的差异将导致 其共混物在熔融纺丝制膜过程中形成相界面,在拉 伸过程中,共混物组分之间将在相应位置沿拉伸方 向发生界面相分离,拉伸过程中形成了大量的微孔 结构。
• B. 热致相分离法
• 热致相分离法(TIPS)即为因温度的改变而驱动导 致相分离致孔过程。其致孔机理的理论基础是聚 合物/溶剂二元体系的相分离热力学,通过改变体 系温度控制不同聚合物/稀释剂体系发生相分离, 从而形成微孔结构。
1. 3 半熔融纺丝
• 半熔融纺丝是向纤维中心供气,纺丝料液从贮桶经 计量泵、过滤器后,进入喷口呈环形的喷丝板,喷 出的中空纤维可直接进入凝胶浴或先进入挥发通 道,使纤维冷却(或受热)或部分溶剂挥发后进入凝 胶浴,再经漂洗干燥后,收集在滚筒上。此方法适 用于三醋酸纤维素(CTA)制备中空反渗透膜或纳滤 膜。
中空纤维膜
管式膜组件
特点： 结构简单、适应性强、
压力损失小、透过量大，清 洗、安装方便、可耐高压， 适宜处理高粘度及稠厚液体 。但比表面积小。适于微滤 和超滤。
管式陶瓷超滤膜组件
平板膜组件
特点： 较管式组件
比表面积大得多 ，易于更换膜， 适于微滤、超滤。
螺旋卷式膜组件
• 特点： 膜面积大，湍流情
2 新型中空纤维膜材料的研究进展
• 2. 1 聚砜类
• A 聚砜
• 聚砜(PS)为材料的中空纤维膜组件,聚砜膜有机械 强度高、分离性好、抗溶胀、耐细菌侵蚀等优点, 是广泛使用的最好的基膜材料之一,用其制成的中 空纤维超滤膜已广泛应用于浓缩、分离、提纯、 精制 、 回收等领域。但由于聚砜中空纤维膜具有 表面亲水性能低 、 易污染、以及较小孔径膜的难 以制备等缺点,因此其使用范围受到限制 。 为改善 其表面性能,科研人员对其进行了大量的研究:将 聚砜膜材料进行混合改性,改变膜的表面性质,提
高 膜的亲水性和耐污性能; 或者采用不同种类的 醇 对聚砜中空纤维基膜进行预处理,研究了醇处理 对膜性能的影响;利用聚砜中空纤维膜内表面作为 接枝层,进行动态表面光接枝聚合反应的研究,改 善膜的亲水性和截留率。
• B 聚醚砜
• 聚醚砜(PES)又称聚苯醚砜,是一种综合性能优良 的聚合物膜材料。
• 由于聚醚砜有着十分优异的生物相容性,不易产生 凝血、溶血等不良反应,是优良的第三代透析膜材 料。因此常作为超滤、过滤膜的材料。由于聚醚 砜中空纤维膜性能受到纺丝制备条件等多种因素 的影响,因而长期以来受到人们的关注 。 科研人员 在制备聚醚砜中空纤维膜的中,研究了PES浓度和 不同的填充液对膜结构和性能的影响;尝试采用自 由基聚合反应制备了丙烯酸接枝改性的聚醚砜中 空纤维渗透膜,可以调节膜的选择性和通量。