中空纤维膜

2.5 纤维素类
• 亲水性膜材料中常用的是醋酸纤维素,醋酸纤维素 具有优良的亲水性能和较好的耐污染性能,能用于 海水和苦咸水淡化、氢气分离和纯氮制备等。国 内已经能采用成熟的Lyocell 工艺,制备新型溶剂 法纤维素中空纤维膜,研究了其渗透性及油水分离 性能。也有用NMMO （ N- 甲基吗啉水溶液，氧化甲 基吗啉）法纺制纤维素中空纤维膜,分析了膜的结 构形态。
聚丙烯腈
• 聚丙烯腈(PAN)中空纤维膜具有优异的化学稳定性 和耐热性能、耐霉菌性,其亲水化膜的透水量是同 面积的聚丙烯腈和聚砜超滤膜的数倍,可广泛用于 水的初级净化、血浆渗析膜和血浆超滤膜及气体 分离和作为气体分离膜的支撑体材料,因而受到膜 科学工作者的重视。日本东丽株式会社等采用重 均相对分子质量为20万的聚丙烯腈作为膜材料,制 成机械强度较高的聚丙烯腈中空纤维膜,并且已成 功应用于水的除浊;有人还将这种中空纤维膜进行 碳化, 制成了一种新型的无机膜 PAN 基中空纤维碳 膜,可望在高温气体分离等领域发挥重要作用。
3. 4 食品工业
• 目前常用的膜一般有醋酸纤维素膜和聚砜膜,由于 中空纤维膜的特殊性能,可以用于油脂提炼、处理 高级饮料的用水、低度酒的澄清处理、提取分离 蛋白和浓缩蛋白、浓缩、精制酶制品。如聚偏氟 乙烯中空纤维 UF 膜具有无能耗 , 绿色环保 , 过滤精 度高, 可以滤除所有的细菌、病毒等物质,而又能 保留人体必需的微量元素的特点。
• 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。
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。
3. 3 海水淡化
• 作为解决水资源危机的重要途径,海水淡化技术正 日益显示出独特的优势和良好的前景。研究人员 大力推进海水淡化技术的应用与推广,建设海水淡 化基地 , 采用双膜法进行海水淡化 , 即用连续膜过 滤技术替代传统的絮凝、机械过滤、精滤工艺作 为反渗透的预处理系统,大大减少了设备占地面积, 产水水质高并且水质稳定,可以延长反渗透系统的 使用寿命 , 且系统自动化控制程度高 , 可以降低劳 动强度和劳动成本并降低运行费用,是新一代的RO （反渗透）预处理系统。
4 发展前景
• 纵观中空纤维膜技术的研究现状,虽然我国在某些 方面有所突破 , 以反渗透为例 , 此技术之前一直被 国外垄断 , 我国研究人员经过潜心研究 , 现在国产 的反渗透脱盐率已达到国际最尖端水平,且抗氧化、 抗污染能力强。但离世界一流技术还有一定的差 距, 我国必须解决膜材料和制膜技术,使产品达到 国际先进水平 , 提高国产超滤膜的技术档次 , 保持 较高的市场占有率。且由于开发中空纤维膜的技 术上不存在太大困难。该技术设备投资低,符合节 能减排的发展要求 , 符合国家可持续发展战略 , 因 此具有良好的发展前景。
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 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
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。
3. 5 医疗卫生
• 中空纤维膜在医疗领域有着巨大市场,膜材料为聚 砜和聚丙烯腈,用于血液透析、血液净化、肝腹水 的超滤浓缩回输等辅助冶疗。血液过滤器是中空 纤维分离膜应用的主要领域之一。血浆分离器则 主要用于血浆与血细胞的分离,其产品更为广泛。 我国对高端医用纤维及制品基本依赖进口,研发立 足于国内的医用产品,需要在发展理念上有所改进。
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。
中空纤维膜的制备方法及原理
膜组件
膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳 这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件。
膜组件的种类：
管式膜组件 中空纤维式 平板膜组件 卷式膜组件
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。
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
• 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。
3 中空纤维膜的应用领域
• 3. 1 环保工程
• 中空纤维膜由于比表面积大,膜组件的装填密度高, 工艺简单 , 所以生产成本一般低于其它类型的膜 , 且由于没有支撑层故可以反向清洗。因此在大规 模的水处理工程中,聚偏氟乙烯中空纤维膜的应用 有其独特的优势, 与连续膜过滤技术(CMF)、膜生 物反应要 用于城市生活污水处理及工业废水处理等领域,受 到广泛的关注。
• 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。
• 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。
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。
3. 2 石化工业
• 在石化工业的生产过程中,需要处理大量的废水、 分离和净化不同的气流和大量的不同等级的油田 采出水,中空纤维膜以独特的优点发挥了重要的作 用。近年来,膜法提氢、膜法富氧、膜法富氮等技 术已成功实施工业化应用,且已经从原先的废旧资 源回收发展到环境保护及净化领域,气体膜分离技 术得到了飞跃的发展。以酰亚胺中空纤维膜以及 不同材料涂层的聚砜中空纤维复合膜为代表,在气 体分离领域中的应用已日渐成熟。
2. 4 聚烯烃类
• 聚丙烯
• 聚丙烯(PP)中空纤维膜表面有很多微孔,是一种有 皮层的异形截面多孔膜 , 具有不对称膜的特性与 优点。由于聚丙烯分子的非极性特征,使其表面自 由能和表面张力较低 , 具有典型疏水性能 , 在血液 相容性方面具有一定的优势。因此聚丙烯中空纤 维膜是制作膜式氧合器的常用材料。由于廉价且 耐化学侵蚀性膜的制备是高分子微孔膜研究与开 发的重要方向,聚丙烯中空纤维膜的研究得到了较 多关注。