CN104128097A - 一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法，其步骤包括：S1：配制纺丝原液，将高分子聚合树脂、亲水剂、增稠剂、添加剂以及非溶剂溶解于溶剂中，配制成纺丝原液；S2：纺丝原液经过脱泡处理制成纺丝料液；S3：纺丝料液被压入喷丝头并进行喷出，随后经过20～200mm的空气浴，逐级进入各级超声波凝固浴槽进行固化成型形成初生中空纤维膜；S4：初生中空纤维膜经过清洗槽，再经过甘油保孔处理后，缠绕在绕丝轮上；S5：将绕丝轮上的初生中空纤维膜切下，绑扎整齐放入干燥房间进行干燥处理。本发明的有益效果在于，提供一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法，该方法提高了中空纤维膜成孔效率，缩短了纺丝时间，生成效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法。
背景技术
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。与传统的分离工艺相比较，膜分离具有在常温下进行、无相态变化、无化学变化、选择性好、适应性强、能耗低等优点。
目前，聚合物分离膜已在工业上得到广泛应用主要有微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜和气体分离膜等。每个应用领域均对膜材料和膜结构提出了不同的要求，对于微滤和超滤膜，膜的孔隙率和孔径将最终决定其过滤效率，而对于气体分离膜，膜材料的选择性和渗透性决定了其分离效率。多孔性是分离用聚合物膜的重要特征，即使是气体分离膜，其超薄致密表层亦是支撑于刚性多孔底层之上的。
目前有多种方法来制备聚合物分离膜，如：烧结法、拉伸法、径迹蚀刻法和相转化法，由于材料性质和制膜工艺条件的不同，最终所成的分离膜的结构和性能将会有很大的差异。目前应用最广泛的制膜工艺为相转化法制膜工艺。相转化法可以通过多种方式使聚合物溶液发生相分离，如热诱导沉淀相分离、溶剂蒸发沉淀相分离、气相沉淀相分离和浸入沉淀相分离。目前所使用的膜大部分是采用浸没沉淀法制备的相转化法膜。
同时，膜技术在日常生活中也日益显示出它的重要作用和光明前景。膜技术作为新型分离技术已广泛应用于气体分离、物料分离和水处理，其中水处理领域对膜产品的需求量最大。超滤膜技术既可除去水中病菌、病毒、热源、胶体、等有害物质，又可透析对人体有益的无机盐，已广泛应用于牛奶脱脂、果汁浓缩、黄酒纯化、白酒陈化、啤酒除菌、味精提纯、蔗糠脱色、氨基酸浓缩、酱油除菌等生产中，而且还广泛应用于医疗针剂水、输液水、洗瓶水、外科手术洗洁水的制备。因其克服了蒸馏水中含有细菌尸体的缺点，且具有生物活性，所以更有利于病人恢复健康而备受医学界推崇。
频率为20Hz～20000Hz的声波为超声波，超声波作为一种无污染的能源，随着科学技术的发展，相关技术领域的互相渗透，使超声波技术广泛用于工业、化工、医学、检验等领域。超声波作为一种特殊的能量输入方式，所具备的高效能是其他很多技术望尘莫及的。近些年随着超声波技术的日益发展与成熟，其在膜行业的膜清洗方面已得到了广泛研究和讨论，但是在膜制备工艺上还鲜有研究。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的缺陷，本发明提供一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法，提高了中空纤维膜的成孔效率，缩短了纺丝时间，生成效率提高，有利于实现工艺的自动化。
本发明提供了一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法，其步骤包括：S1：配制纺丝原液，将高分子聚合树脂、亲水剂、增稠剂、添加剂以及非溶剂溶解于溶剂中，配制成纺丝原液；S2：纺丝原液经过脱泡处理制成纺丝料液；S3：纺丝料液被压入喷丝头进行喷出，随后经20～200mm的空气浴，逐级进入一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽进行固化成型形成初生中空纤维膜；S4：初生中空纤维膜经过清洗槽，进一步去除其中的溶剂和添加剂，再经过甘油保孔处理后，缠绕在绕丝轮上；S5：将绕丝轮上的初生中空纤维膜切下，绑扎整齐放入温度为15～25℃和湿度为30％～50％的干燥房间进行干燥处理形成中空纤维膜。
可选的，所述一级超声波凝固浴槽中液体为质量百分比为20～90％的溶剂溶液，所述二级超声波凝固浴槽中液体为质量百分比为5～50％的溶剂溶液，所述三级超声波凝固浴槽中液体为水溶液，所述四级超声波凝固浴槽中液体为质量百分比为0～10％的次氯酸钠溶液，所述五级超声波凝固浴槽中液体为水溶液，所述六级超声波凝固浴槽中液体为质量百分比为10～50％的甘油溶液。
可选的，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的温度均为20～80℃。
可选的，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率均为20～200Hz。
可选的，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的功率密度均为0～10W/cm2。
可选的，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)和二甲基亚砜(DMSO)中的一种或几种。
可选的，所述溶剂为二甲基乙酰胺(DMAC)。
可选的，所述一级超声波凝固浴槽中液体的温度为60℃，所述二级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述三级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述四级超声波凝固浴槽中液体的温度为20℃，所述五级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述六级超声波凝固浴槽中液体的温度为40℃。
可选的，所述一级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为160Hz，所述二级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为100Hz，所述三级超声波凝固浴槽的超声波频率为60或100Hz，所述四级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为28或40Hz、所述五级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为60Hz，所述六级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为28Hz。
可选的，所述一级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或0.5W/cm2、所述二级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或0.5W/cm2，所述三级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或1.0W/cm2、所述四级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为1.0或2.0W/cm2，所述五级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.5或2.0W/cm2，所述六级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.5或3.0W/cm2。
本发明具有以下优点和有益效果：本发明提供的一种基于超声波技术的中空纤维膜，纺丝料液从喷头喷出后进入20～200mm的空气浴，然后进入液态凝固浴槽，所述液态凝固浴槽包括六级超声波凝固浴槽，所述六级超声波凝固浴槽的槽壁设置有超声波震板，超声波加速纺丝料液在凝固浴槽中的传质过程，促进初生中空纤维膜的成孔和保孔的作用，同时还提高了初生中空纤维膜的成孔结构，大大缩短了纺丝时间，并完全省去了后处理工艺；本发明制备的中空纤维膜广泛的应用于水处理行业、医疗行业、药品分离行业、食品行业等，有很高的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的基于超声波的中空纤维膜制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示：本发明实施例的一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法，其步骤包括：S1：配制纺丝原液，将高分子聚合树脂、亲水剂、增稠剂、添加剂以及非溶剂溶解于溶剂中，配制成纺丝原液；S2：纺丝原液经过脱泡处理制成纺丝料液；S3：纺丝料液被压入喷丝头进行喷出，随后经20～200mm的空气浴，逐级进入一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽进行固化成型形成初生中空纤维膜；S4：初生中空纤维膜经过清洗槽，进一步去除其中的溶剂和添加剂，再经过甘油保孔处理后，缠绕在绕丝轮上；S5：将绕丝轮上的初生中空纤维膜切下，绑扎整齐放入温度为15～25℃和湿度为30％～50％的干燥房间进行干燥处理形成中空纤维膜。
作为上述实施例的优选实施方式，所述一级超声波凝固浴槽中为质量百分比为20～90％的溶剂溶液，所述二级超声波凝固浴槽中为质量百分比为5～50％的溶剂溶液，所述三级超声波凝固浴槽中为水溶液，所述四级超声波凝固浴槽中为质量百分比为0～10％的次氯酸钠溶液，所述五级超声波凝固浴槽中为水溶液，所述六级超声波凝固浴槽中为质量百分比为10～50％的甘油溶液。
作为上述实施例的优选实施方式，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的温度均为20～80℃。
作为上述实施例的优选实施方式，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率均为20～200Hz。
作为上述实施例的优选实施方式，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体中液体的功率密度均为0～10W/cm2。
作为上述实施例的优选实施方式，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)和二甲基亚砜(DMSO)中的一种或几种。
作为上述实施例的优选实施方式，所述溶剂优选为二甲基乙酰胺(DMAC)。
作为上述实施例的优选实施方式，所述一级超声波凝固浴槽中液体的温度为60℃，所述二级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述三级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述四级超声波凝固浴槽中液体的温度为20℃，所述五级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述六级超声波凝固浴槽中液体的温度为40℃。
作为上述实施例的优选实施方式，所述一级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为160Hz，所述二级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为100Hz，所述三级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为60或100Hz，所述四级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为28或40Hz、所述五级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为60Hz，所述六级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为28Hz。
作为上述实施例的优选实施方式，所述一级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或0.5W/cm2、所述二级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或0.5W/cm2，所述三级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或1.0W/cm2、所述四级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为1.0或2.0W/cm2，所述五级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.5或2.0W/cm2，所述六级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.5或3.0W/cm2。
本发明提供的一种基于超声波技术的中空纤维膜的制备方法，可应用于污水处理、食品、药品分离等行业的聚偏氟乙烯膜的制备，具体过程为：按照一定的比例将高分子材料如聚偏氟乙烯(PVDF)、溶剂如二甲基乙酰胺(DMAC)和添加剂投入到搅拌罐中，在恒温的条件下搅拌使之溶解充分，然后倒入纺丝釜中静置脱泡；再按照一定比例配制芯液，控制喷丝头和凝固浴槽之间的间距，进行纺丝；纺丝原液和芯液由插入管式纺丝喷头挤出，挤出的纺丝原液在空气中经过5cm后逐级进入一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽的相关设置分别为：一级超声波凝固浴槽中为：50％的二甲基乙酰胺(DMAC)溶液，温度为60℃，超声波频率为160Hz，功率密度为0.5W/cm2，二级超声波凝固浴槽中为：10％的二甲基乙酰胺(DMAC)溶液，50℃，超声波频率为100Hz，功率密度为0.5W/cm2，三级超声波凝固浴槽中为：水溶液，温度为50℃，超声波频率为60Hz，功率密度1W/cm2，四级超声波凝固浴槽中为：1％的次氯酸钠溶液，温度为20℃，超声波频率为40Hz，功率密度为2W/cm2，五级超声波凝固浴槽中为：水溶液，温度为50℃，超声波频率为60Hz，功率密度为2W/cm2，六级超声波凝固浴槽中为：50％的甘油溶液，40℃，超声波频率28Hz，功率密度3W/cm2。从六级超声波凝固浴槽出来后，膜丝完全固化成形，卷绕在绕丝轮上；将绕丝轮上的膜丝切下，绑扎整齐放入温度为15～25℃和湿度为30％～50％的干燥房间中进行干燥处理，即得到中空纤维膜丝成品。
本发明提供的一种基于超声波技术的中空纤维膜的制备方法，可应用于水处理行业和医用食品等行业的聚醚砜膜的制备方法：将配好的制膜液加入纺丝罐中，按照一定的比例将聚醚砜(PES)、溶剂二甲基乙酰胺(DMAC)和添加剂投入到搅拌罐中，在恒温的条件下搅拌使之溶解充分，然后倒入纺丝釜中静置脱泡；再按照一定比例配制芯液，控制喷丝头和凝固浴槽之间的间距，进行纺丝；纺丝原液和芯液由插入管式纺丝喷头挤出，挤出的纺丝原液在空气中进过5cm后逐级进入一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽的相关设置分别为：所述一级超声波凝固浴槽中为：50％二甲基乙酰胺(DMAC)溶液，温度60℃，超声波频率160Hz，功率密度0.3W/cm2，所述二级超声波凝固浴槽中为：5％的二甲基乙酰胺(DMAC)溶液，温度为50℃，超声波频率100Hz，功率密度0.3W/cm2，所述三级超声波凝固浴槽中为：水溶液，温度为50℃，超声波频率为100Hz，功率密度为0.5W/cm2，四级超声波凝固浴槽中为：水溶液，温度为40℃，超声波频率为40Hz，功率密度为1W/cm2，所述五级超声波凝固浴槽中为：水溶液，温度为50℃，超声波频率60Hz，功率密度为0.5W/cm2，所述六级超声波凝固浴槽中为：50％甘油溶液，温度为40℃，超声波频率为28Hz，功率密度为0.5W/cm2，从所述六级超声波凝固浴槽中出来后，膜丝完全固化成形，卷绕在绕丝轮上；将绕丝轮上的膜丝切下，绑扎整齐放入温度为15～25和湿度为30％～50％的干燥房间中进行干燥处理，即得到中空纤维膜丝成品。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于超声波技术的中空纤维膜制备方法，其特征在于，其步骤包括：
S1：将高分子聚合树脂、亲水剂、增稠剂、添加剂以及非溶剂溶解于溶剂中，配制成纺丝原液；
S2：纺丝原液经过脱泡处理制成纺丝料液；
S3：纺丝料液被压入喷丝头并进行喷出，随后经20～200mm的空气浴，逐级进入一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中进行固化成型形成初生中空纤维膜；
S4：初生中空纤维膜经过清洗槽，进一步去除其中的溶剂和添加剂，再经过甘油保孔处理后，缠绕在绕丝轮上；
S5：将绕丝轮上的初生中空纤维膜切下，绑扎整齐放入温度为15～25℃和湿度为30％～50％的干燥房间进行干燥处理形成中空纤维膜。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述一级超声波凝固浴槽中为质量百分比为20～90％的溶剂溶液，所述二级超声波凝固浴槽中为质量百分比为5～50％的溶剂溶液，所述三级超声波凝固浴槽中为水溶液，所述四级超声波凝固浴槽中为质量百分比为0～10％的次氯酸钠溶液，所述五级超声波凝固浴槽中为水溶液，所述六级超声波凝固浴槽中为质量百分比为10～50％的甘油溶液。
3.根据权利要求1所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的温度均为20～80℃。
4.根据权利要求1所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率均为20～200Hz。
5.根据权利要求1所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述一级超声波凝固浴槽、二级超声波凝固浴槽、三级超声波凝固浴槽、四级超声波凝固浴槽、五级超声波凝固浴槽以及六级超声波凝固浴槽中液体的功率密度均为0～10W/cm2。
6.根据权利要求1所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)和二甲基亚砜(DMSO)中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述溶剂为二甲基乙酰胺(DMAC)。
8.根据权利要求3所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述一级超声波凝固浴槽中液体的温度为60℃，所述二级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述三级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述四级超声波凝固浴槽中液体的温度为20℃，所述五级超声波凝固浴槽中液体的温度为50℃，所述六级超声波凝固浴槽中液体的温度为40℃。
9.根据权利要求4所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述一级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为160Hz，所述二级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为100Hz，所述三级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为60或100Hz，所述四级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为28或40Hz、所述五级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为60Hz，所述六级超声波凝固浴槽中液体的超声波频率为28Hz。
10.根据权利要求5所述的基于超声波的中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述一级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或0.5W/cm2、所述二级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或0.5W/cm2，所述三级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.3或1.0W/cm2、所述四级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为1.0或2.0W/cm2，所述五级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.5或2.0W/cm2，所述六级超声波凝固浴槽中液体的功率频率为0.5或3.0W/cm2。
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