中空纖維超濾膜的制備

1、中空纖維超濾膜的制備實(shí)驗(yàn)概述超濾膜的工業(yè)應(yīng)用十分廣泛，已成為新型化工單元操作之一。用于分離、濃縮、純化生物制品、醫(yī)藥制品以及食品工業(yè)中；還用于血液處理、廢水處理和超純水制備中的終端處理裝置。在我國已成功地利用超濾膜進(jìn)行了中草藥的濃縮提純。超濾膜隨著技術(shù)的進(jìn)步，其篩選功能必將得到改進(jìn)和加強(qiáng)，對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)也將越來越大。例如聚碉中空纖維超濾膜，聚碉膜由于具有良好的滲透性、耐溫性、耐溶劑性及良好的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用，小至家用凈水器，大到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，從普通民用到高新技術(shù)領(lǐng)域都有不同規(guī)模的應(yīng)用，甚至于在環(huán)境保護(hù)方面也有極大的使用潛力，超濾是一種最有發(fā)展前途的膜法分離技術(shù)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腳|1

2、.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。三、超濾膜的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?，從環(huán)行噴絲頭（常用噴絲頭的斷面結(jié)構(gòu)如圖 1 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)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

3、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I噴絲頭斷面結(jié)構(gòu)示意圖（a）插入管式；（b）插入柱式：（c）異形噴絲板超濾膜篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時(shí)，超濾膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側(cè)，成為濃縮液，因而實(shí)現(xiàn)對(duì)原液的凈化、分離和濃縮的目的。每米長的超濾膜絲管壁上約有 6060 億個(gè) 0.010.01 微米的微孔，其孔徑只允許水分子、水中的有益礦物質(zhì)和微量元素通過，而最小細(xì)菌

4、的體積都在 0.020.02 微米以上，因此細(xì)菌以及比細(xì)菌體積大得多的膠體、鐵銹、懸浮物、泥沙、大分子有機(jī)物等都能被超濾膜截留下來，從而實(shí)現(xiàn)了凈化過程。超濾膜的超濾特性：在膜分離技術(shù)范疇內(nèi)，分離精度自反滲透至微濾過濾范圍的連續(xù)譜圖中可見，超濾介于納濾與微濾之間。超濾的定義域?yàn)榻亓舴肿恿?00500500000500000 左右，相應(yīng)膜孔徑大小的近似值為 0.0020.002 以0.10.1 小。截留分子量與膜孔徑兩者尚無對(duì)應(yīng)關(guān)系。簡單的理解，超濾膜如同篩子，在一定壓力(0.10.10.6mpa)0.6mpa)下，允許溶劑和小于膜孔徑的溶質(zhì)透過，而阻止大于孔徑的溶質(zhì)通過，以完成溶液的凈化、分離和

5、濃縮。四、實(shí)驗(yàn)儀器及原料1.膜組件管式膜組件:券構(gòu)簡單、翊性愿壓力損失小、透過量大，青洗、辣方便、可時(shí)陋，適宜處理高粘度及麟液體.但比施積小。 適于微濾和超濾，牛根膜俎件特點(diǎn)：較管式組件比表面積大得多,易于更換膜，適于微濾、超濾。陶瓷管式膜組件圖 0*R承開長瓶式加溫樣的科他螺旋卷式膜俎件特點(diǎn)：膜面積大，湍流情況好，但制造裝配要求高、清洗檢修不方便，不能處理懸浮液濃度較高的料液.可用于微濾、超濾和反滲透.中空纖維式膜組建80就Mffl舶*版叫打展18皿短處力Q2.設(shè)備中空纖維膜紡絲機(jī)一臺(tái)2所示），包括如下附件：計(jì)量泵（規(guī)格為1.2ml/r）,噴絲頭,圖2干-濕法制備中空纖維膜示意圖：（I）料液

6、釜，（II）芯液3.原料工業(yè)級(jí)聚碉或聚醛碉；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)）五、工藝參數(shù)釜體溫度計(jì)量泵溫度過濾器溫度凝固浴溫度60C45C40C1525C芯液流速卷繞速度15協(xié)茲20協(xié)玄玄六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容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)，包括聚合物濃打開總電源一開動(dòng)攪拌一溶解釜開始升溫一加入聚合物一加入成孔劑加入剩余 1/41/4 溶劑一在 60c60c 攪拌溶解 810810 小時(shí)一溶解完成后關(guān)閉攪拌靜置脫泡 12201220 小時(shí)一脫泡完成后旋緊攪拌軸壓蓋一通入 0.30.50.30.5MPaMPa 氮?dú)庖淮蜷_過濾器閥門

7、（泵座在紡絲前預(yù)熱 0.50.5 小時(shí)以上）一開啟計(jì)量泵（鵝頸管開口向上）一待擠出物料基本沒氣泡時(shí)關(guān)閉計(jì)量泵一安裝噴絲頭一開啟芯液閥門一開啟計(jì)量泵一用導(dǎo)絲鉤將初生纖維壓入凝固浴槽并自另一端引出一卷繞一切割。將切割后的中空纖維膜浸于水槽 1212 小時(shí)，中途換水 2 2 次，洗去溶出的成孔劑聚乙二醇；在 50%50%勺甘油中浸泡 1212 小時(shí)，取出后晾干待用。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理2.2.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 3/43/4上圖是我們紡的聚碉中空纖維超濾膜，由于機(jī)器出現(xiàn)故障紡的比較少，在實(shí)驗(yàn)室里紡的產(chǎn)品的水通量和截留率不是太好1 1 . .將中空纖維膜浸入甘油水溶

8、液中的目的是什么？答：很多的中空纖維膜是疏水性的。進(jìn)入甘油水溶液是為了保持其親水性，維持其膜通量。說白了就是怕膜干掉，干了就不能過濾水了。保持孔徑的穩(wěn)定。2 2 . .影響膜結(jié)構(gòu)的主要因素有哪些？答：壓桿有長細(xì)比截面慣性矩（截面形狀大?。┙孛娌牧闲再|(zhì)（彈性模量）具體參考材料力學(xué)壓桿穩(wěn)定章受彎構(gòu)件穩(wěn)定性有平面內(nèi)穩(wěn)定和平面外穩(wěn)定與截面性質(zhì)腹板與翼緣尺寸截面類型等有關(guān)考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)般式取結(jié)構(gòu)受力利壓桿或者梁類構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性和承載力計(jì)算當(dāng)與結(jié)構(gòu)整體布置支撐情況也有關(guān)整體結(jié)構(gòu)平面及其豎向布置規(guī)則與否剛度變化否突變有關(guān)3 3 .膜組件封裝過程中的需要注意哪些問題？答：要注意加墊圈，增加密封效果。要

9、清理掉組件中的雜質(zhì)、異物。盡量減少氣泡的產(chǎn)生。殼體與螺紋套之間的粘接選用法國進(jìn)口膠水粘接，粘接長度加長了，連接間隙均勻一致中空纖維超濾膜性能的測試、實(shí)驗(yàn)原理1 1 .掌握簡易的實(shí)驗(yàn)室超濾膜組件封裝的操作技術(shù)；2 2 .掌握中空纖維膜滲透通量和分離效率的測試方法。二、實(shí)驗(yàn)原理膜的性能包括物理化學(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

10、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：一Sxl式中，J J 為膜的滲透通量（通常測試純水通量）（L/mL/m2h,0.1MPah,0.1MPa）; ;S 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）（m m2 2）；V V 為透過液體的體積（L L）; ;t t 為時(shí)間（h h）0 0組分截留率的定義如下：R=1-x10056G式中一 R R 為截留率；CoCo 為原溶液濃度；CiCi 為透過液濃度。將中空纖維膜封成膜組

11、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 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、外壓錯(cuò)流法、內(nèi)壓死端法和外壓死端法，如圖 4 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 4(a)(a)所示。三、實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備1.1.原料:(1)(1)組裝膜組件所需材料中空超濾纖維膜；塑料管；尼龍(1010)1010)管;次性紙

12、杯；哥倆好膠；705705 膠；膜組件封裝專用樹脂。(2)(2)測試水通量和截留率所需材料碳素墨水；量筒；塑料量杯；菌種瓶。2.2.設(shè)備：防震壓力表；不銹鋼球形閥門；輸液泵；三通；變徑；PUPU 管。四、實(shí)驗(yàn)裝置與流程如圖 5 5 所示。G:G:量筒 H:H:閥門 I:I:閥門管道標(biāo)號(hào)：1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6五、實(shí)驗(yàn)步驟1 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)。2 2、膜組件的封裝（1 1）剪取 4-5cm4-5cm 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 10-15cm,10-15cm,晾干備用。

13、（2 2）取長度約 30cm30cm 中空纖維膜 5-105-10 根，剪齊，在膜兩端涂覆 705705 硅橡膠進(jìn)行封端，干后（約 6 6 小時(shí)）在膜兩端套上尼龍管（4-5cm4-5cm）o o（3 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 1）中的塑料管中（充滿塑料管體積的 2/32/3）, ,然后將（2 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 1212 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 3、水通量

14、與截留率的測試（1 1）水通量的測定如圖 5 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,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D11111111圖 5 5 中空纖維超濾膜過程流程A:A:磁力攪拌器(電熱套)B:B:進(jìn)料桶 C:C:溫度計(jì) D:D:泵 E:E:壓力表 F:F:膜組件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 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/L0.4g/L）溶液作為測試的進(jìn)料液，置于磁力攪拌器上

15、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 3） 繪制“濁度-碳素墨水濃度”標(biāo)準(zhǔn)曲線， 根據(jù)所測濁度， 在標(biāo)準(zhǔn)曲線上找出濃度，計(jì)算得到截留率。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1.水通量的計(jì)算體積ml2345678910時(shí)間min10.3017.0023.3627.4831.5936.0340.0244.0648.09孑L徑d=0.0735mms=Tt*d*h=3.14*0.0735*350=80.78mmA2=8.08*10A-5mAt=0.402h根據(jù)數(shù)據(jù)，后七個(gè)比較穩(wěn)定，則J=v/(s*t)=6*10A-3/(0.4092*8.08*10A-5)=184.72l*mA-2

16、*hA-12.截留率的測定，過濾前濁度=98.5過濾后濁度=2.15根據(jù)濃度-濁度的關(guān)系曲線，過濾前的濃度=0.16mg/l過濾后的濃度=408.8mg/lR-lxlOO%4=1-0.16/408.8*100%=99.96%七、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及感想在聚碉中空纖維超濾膜的制備與性能的測試實(shí)驗(yàn)中，我了解了中空纖維膜的制備方法，熟悉了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，也了解到利用中空纖維膜超濾的原理，水通量和截留率測定的原理。在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，查了一些資料，更加明白中空纖維膜和我們的生活密密相關(guān)，例如咱們喝的水通常要就行過濾處理，就會(huì)用到該膜，而膜技術(shù)在國內(nèi)已開始廣泛應(yīng)用，膜技術(shù)推廣也已進(jìn)入成熟期，采用膜技術(shù)進(jìn)行污染物與水分子進(jìn)行分離，可將寶貴的水資源進(jìn)行二次利用，同時(shí)污染物中的貴重金屬離子也可以過濾濃縮回收使用，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，知名石化、羊絨制造、飲料、醫(yī)藥、城市污水處理等單位已大規(guī)模應(yīng)用，不占地，不耗費(fèi)能源，投資收益明顯，前景極為廣闊。例如在發(fā)酵液除菌過濾發(fā)酵，液菌體濃縮回，用果酒、藥酒、低度白酒的澄清過濾除濁，茶飲料、果飲料澄清過濾濃縮，中藥提取液的分離和精制，高濃度高黏度溶液過濾，城市污水回收，住宅小區(qū)或大