中空纖維超濾膜的制備與性能測試

1、第三章 中空纖維超濾膜的制備與性能測試1中空纖維膜的制備1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解相轉(zhuǎn)化法制備中空纖維膜的工藝過程；2. 掌握制備中空纖維超濾膜的基本原理及實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)；3. 掌握用于中空纖維膜結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法。1.2 實(shí)驗(yàn)原理中空纖維膜的制備方法有：濕法、干-濕法、熔融法和干法。本實(shí)驗(yàn)采用干-濕法，過程如下： 首先將過濾后的由聚合物、 溶劑和成孔劑組成的鑄膜液用氮?dú)鈱⒏辛弦簤撼觯?從環(huán)行噴絲頭 （常用噴絲頭的斷面結(jié)構(gòu)如圖1 所示）的縫隙中擠出，同時(shí)將芯液注入噴絲頭插入管中，經(jīng)過一段空氣浴后， 鑄膜液浸入凝固浴中發(fā)生雙擴(kuò)散：鑄膜液中的溶劑向凝固浴擴(kuò)散以及凝固浴中的凝固劑（非溶劑）向鑄膜液中的細(xì)

2、流擴(kuò)散。膜的內(nèi)側(cè)和外側(cè)同時(shí)發(fā)生凝膠化過程，首先形成皮層，隨著雙擴(kuò)散的進(jìn)一步進(jìn)行， 鑄膜液內(nèi)部的組成不斷變化，當(dāng)達(dá)到臨界濃度時(shí)， 膜完全固化從凝固浴中沉析出來， 將膜中溶劑和成孔劑萃取出， 最終得到中空纖維膜。圖 1 噴絲頭斷面結(jié)構(gòu)示意圖（a）插入管式；（b）插入柱式；（）異形噴絲板膜制備工藝參數(shù)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響很大。 主要的工藝參數(shù)包括： 鑄膜液的流量、溫度、擠出速率、芯液流速、卷繞速度、空氣間隙、噴絲頭規(guī)格等。1.3 實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備1. 原料：（1） 工業(yè)級(jí)聚砜或聚醚砜； 聚乙二醇（工業(yè)級(jí)，相對(duì)分子質(zhì)量 20000） ；n,n-二甲基乙酰胺（工業(yè)級(jí)） ；甘油（工業(yè)級(jí)）。2. 設(shè)備：中空纖維膜紡

3、絲機(jī)一臺(tái)（圖2 所示） ，包括如下附件：計(jì)量泵（規(guī)格為1.2 ml/r ） ，噴絲頭，氮?dú)怃撈康取?.4 實(shí)驗(yàn)過程1. 準(zhǔn)備工作：根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)要求確定膜制備工藝參數(shù)，包括聚合物濃度，2. 膜制備過程：適當(dāng)旋松攪拌軸壓蓋 在溶解釜加料口加入應(yīng)加溶劑的3/4 打開總電源開動(dòng)攪拌 溶解釜開始升溫 加入聚合物 加入成孔劑 加入剩余 1/4 溶劑 在 60攪拌溶解 810小時(shí) 溶解完成后關(guān)閉攪拌 靜置脫泡1220 小時(shí) 脫泡完成后旋緊攪拌軸壓蓋 通入0.30.5 mpa 氮?dú)?打開過濾器閥門（ 泵座在紡絲前預(yù)熱0.5 小時(shí)以上）開啟計(jì)量泵 （鵝頸管開口向上） 待擠出物料基本沒氣泡時(shí)關(guān)閉計(jì)量泵 安裝噴絲頭

4、 開啟芯液閥門 開啟計(jì)量泵用導(dǎo)絲鉤將初生纖維壓入凝固浴槽并自另一端引出 卷繞 切割。圖 2 干-濕法制備中空纖維膜示意圖: (i) 料液釜 , (ii) 芯液釜將切割后的中空纖維膜浸于水槽12 小時(shí)，中途換水 2 次，洗去溶出的成孔劑聚乙二醇；在 50% 的甘油中浸泡 12 小時(shí)，取出后晾干待用。1.5 思考題1. 將中空纖維膜浸入甘油水溶液中的目的是什么？2. 影響膜結(jié)構(gòu)的主要因素有哪些？如何影響？3. 膜組件封裝過程中的需要注意哪些問題？2中空纖維膜的性能測試2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握簡易的實(shí)驗(yàn)室超濾膜組件封裝的操作技術(shù)；2.掌握中空纖維膜滲透通量和分離效率的測試方法。2.2 實(shí)驗(yàn)原理膜的性

5、能包括物理化學(xué)性能和分離透過性能。膜的物理化學(xué)性能是指承壓性、耐溫性、耐酸堿性、抗氧化性、 耐生物與化學(xué)侵蝕性、 機(jī)械強(qiáng)度、 膜的厚度、含水量、毒性、生物相容性、親水性和疏水性、孔隙率、電性能、膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及膜的平均孔徑等。膜的分離透過特性主要是指滲透通量和分離效率。超濾膜分離基本原理是用壓力差作為推動(dòng)力，利用膜孔的滲透和截留性質(zhì)，使不同的組分實(shí)現(xiàn)分離， 因此要達(dá)到良好的分離目的， 要求被分離的組分間相對(duì)分子質(zhì)量至少要相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。超濾膜分離的工作效率以滲透通量和分離效率作為衡量指標(biāo)。膜通量計(jì)算如下式：tsvj式中， j 為膜的滲透通量（通常測試純水通量） （l/m2h，0.1 mpa

6、） ；s為中空纖維膜的有效面積（外壓法為膜外表面積，內(nèi)壓法為膜內(nèi)表面積） （m2） ；v 為透過液體的體積（ l） ；t 為時(shí)間（ h） 。組分截留率的定義如下：%100cc1r01式中r 為截留率；c0為原溶液濃度；c1為透過液濃度。將中空纖維膜封成膜組件后， 進(jìn)行中空纖維膜的通量與截留率的測試。進(jìn)料液可以從膜的內(nèi)表面透過膜， 也可以通過膜的外表面透過膜， 因此測試水通量和截留率的方式分為內(nèi)壓法和外壓法，如圖 3 所示。另一方面， 根據(jù)料液在膜組件中流動(dòng)方式的不同，測試水通量和截留率的方式又可以分為：錯(cuò)流法和死端法。綜上所述， 測試中空纖維膜的水通量和截留率的方式可以分為：內(nèi)壓錯(cuò)流法、 外壓

7、錯(cuò)流法、 內(nèi)壓死端法和外壓死端法， 如圖 4 所示。本實(shí)驗(yàn)中測試中空纖維膜的通量和截留率用的都是內(nèi)壓錯(cuò)流過濾，如圖4 (a)所示。圖 3 內(nèi)壓法和外壓法示意圖圖 4 過濾過程示意圖(a) 內(nèi)壓錯(cuò)流過濾 ; (b) 外壓錯(cuò)流過濾 ; (c) 內(nèi)壓死端過濾 ; (d) 外壓死端過濾對(duì)于疏水性高分子膜材料， 在測試水通量之前， 需將中空纖維膜組件用95%的乙醇水溶液潤濕，然后將組件安裝在過濾器上進(jìn)行過濾。2.3 實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備1. 原料：（1）組裝膜組件所需材料中空超濾纖維膜；塑料管；尼龍（1010）管；一次性紙杯；哥倆好膠； 705 膠；膜組件封裝專用樹脂。（2）測試水通量和截留率所需材料碳素墨水

8、；量筒；塑料量杯；菌種瓶。2. 設(shè)備：防震壓力表；不銹鋼球形閥門；輸液泵；三通；變徑；pu 管。2.4 實(shí)驗(yàn)裝置與流程如圖 5 所示。圖 5 中空纖維超濾膜過程流程a:磁力攪拌器（電熱套） b: 進(jìn)料桶 c: 溫度計(jì) d: 泵 e: 壓力表 f: 膜組件 g:量筒 h: 閥門 i:閥門管道標(biāo)號(hào)： 1、2、3、4、5、6 2.5 實(shí)驗(yàn)步驟1、中空纖維膜的預(yù)處理與孔徑觀察截取一小段膜，在光學(xué)顯微鏡下觀察內(nèi)、外表面和斷面的孔結(jié)構(gòu)。a b c d e f g h i 1 2 3 4 5 6 2、膜組件的封裝（1）剪取 4-5cm 的塑料管兩根，用哥倆好膠將其一端粘在紙上，兩根塑料管的距離 10-15c

9、m，晾干備用。（2）取長度約 30cm 中空纖維膜 5-10 根，剪齊，在膜兩端涂覆705 硅橡膠進(jìn)行封端，干后（約6 小時(shí)）在膜兩端套上尼龍管（4-5cm） 。（3）組件澆鑄：將膜組件專用樹脂（兩組份）在一次性紙杯中按一定比例混勻，倒入（ 1）中的塑料管中（充滿塑料管體積的2/3 ） ，然后將（ 2）中的尼龍管插入到塑料管中（注意：尼龍管不能插到底，膜要插到底；在操作的過程中盡量防止氣泡的產(chǎn)生） ，等樹脂完全固化后（約12 小時(shí)） ，進(jìn)行修整（撥去塑料管，將膜長出尼龍管的部分割去） ，得到實(shí)驗(yàn)室用簡易的膜組件，并檢驗(yàn)?zāi)そM件是否漏。3、水通量與截留率的測試（1）水通量的測定如圖 5所示，用泵將純水壓送到中空纖維膜組件內(nèi)，進(jìn)口壓力恒定為 0.10mpa ，經(jīng)過膜分離，用量筒接取滲透液，記錄一定時(shí)間內(nèi)滲透過膜的水量，多余的水則回流到貯槽中。測試三次，取其平均值。計(jì)算得到純水通量。（2）用中空纖維膜組件截留碳素墨水中的碳素顆粒，截留實(shí)驗(yàn)用的裝置和測試膜水通量的裝置相同。將一定濃度的碳素墨水（約0.4g/l）溶液作為測試的進(jìn)料液，置于磁力攪拌器上不停攪拌，以保證實(shí)驗(yàn)過程中混合均勻。用濁度儀測試原料液和滲透液的透光度。（3）繪制“濁度 -碳素墨水濃度”標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)所測濁