中空纤维超滤膜技术及其应用

       我国对超滤膜技术的研究起步于70年代，8o年代研制成功了聚矾中空纤维式超滤膜及膜组件。

通过国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关，目前我国超滤膜的材料有10多个品种,组件的形式有板式、管式、卷式、中空纤维式等，广泛应用于工业生产和人们生活。

对于膜分离技术的研究，大体上可分为三个方面:

       (1) 膜材料的研究，即是利用高分子材料学为基础，在多种可制膜的高分子材料中，选择出一种优良的膜材料。它必须具有良好的成膜稳定性、抗氧化性、抗水解性、耐热性、耐污染性、机械强度、耐酸碱性及性能价格比。

       (2) 膜工艺的研究，即是利用制膜设备，通过对制膜过程中制膜液组分的种类和配比的控制及压力、温度、速度等参数的控制，确定出一个最佳的制膜工艺，而制出最优良性能的膜。

       (3) 膜过程的研究，即是研究膜的应用机理、应用工艺技术，或是研究膜在工农业生产及环保方面可能的应用领域。

中空纤维超滤膜技术特性

       中空纤维超滤膜分离技术是我国发展最早、应用最为广泛、国产化率最高的膜技术之一。它是以分子或粒子大小为基础的，以压力作为推动力的动态错流过滤技术。目前我国生产的中空纤维超滤膜的直径在0.5～2.0 mm，膜孔径在0.01～0.001um，超滤膜截留分子量范围基本上为100 000至6 000 Dolton。它比细菌的分子量小百倍，可将细菌、微小悬浮物、微生物、胶体、热源等100%的截留。中空纤维超滤膜组件的形式很多，分内压式和外压式，最大MBR中空纤维膜组件的直径已做到2.54×10-1m（10英寸)。膜组件使用时操作压力一般不大于0.3 MPa。超滤膜是高效、高精度的水质净化设备，滤后水质清澈味甘，可直接生饮。

中空纤维超滤膜的性能的表示法，大体上有三个:截留率、水通量、截留分子量。

       截留率即膜对溶质的分离、脱除率R=(1-C:/C)×100% , (C,C:分别为被分离物质的主体溶液浓度和膜的透过液浓度)。

       水通量是指单位时间内单位面积的膜所透过的水量。J=V/S·t，单位为:L/m2·h截留分子量即膜所分离物质的分子量，是用来表征膜对不同分子量溶质的分离能力。一般将表观截留率为90%～95%的溶质的分子量定义为膜的截留分子量,截留分子量的高低在一定程度上反映了膜孔径的大小及膜的截留特性，截留率越高，截留范围越窄的膜越好。

中空纤维膜的特点是:

       （1）耐压性能好，它取决于中空纤维管的外径和内径之比，而与管壁的绝对厚度无关。P一K(R外/R内一1)。(K为材料的抗拉强度)

       （2）中空纤维膜无需支撑体。

       （3）膜组件可做成任意大小和形状。

       （4）中空纤维膜在膜组件内的装填密度大，单位体积的膜面积大、通量大。

中空纤维超滤膜的生产工艺技术

       中空纤维超滤膜的制膜材料较多，最常见的有聚矾、磺化聚矾、聚醚矾、聚芳醚矾、聚矾酰胺、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素等。

中空纤维膜的制备方法，可分为干―湿法和熔融法。中空纤维超滤膜多是采用干一湿法纺丝工艺制备的。膜和膜组件的制备工艺为:

       原料树脂→烘干＋致孔剂＋溶剂→高温搅拌混溶→制膜液过滤→保温脱泡→由纺丝机、喷丝板、牵伸机纺丝→清水浸泡脱除添加剂→保湿处理→离心甩干→成品膜→装填膜壳→环氧树脂离心浇铸→膜组件处理→压力检测→防腐防霉保湿处理→成品膜组件。

图1为纺丝设备简图。

       影响膜质量的关键因素是:树脂粘度,致孔剂和溶剂的品种，制膜液的配比，牵伸速度、凝固浴的温度、组成等。

       制膜液是由高分子树脂、致孔剂和溶剂组成的。对于制膜来说,溶剂不仅要使树脂完全溶解,同时要求溶剂不与制膜液中任何组分发生化学反应，并能与水进行互溶，以使膜凝胶时溶剂向水中自由扩散。

       聚矾类树脂的良溶剂很多，常见的有:N，N一二甲基乙酰胺(DMAC)，N，N一二甲基甲酰胺(DMF)，N一甲基吡咯烷酮(NMP)，N一甲基己内酰胺(NMC)，二甲基亚矾(DMSO)，1一甲酰基吡啶等。

       致孔剂对膜性能的影响是非常重要的，它对于树脂是一种非溶剂性的溶胀剂，它要求不与树脂和溶剂等组分发生任何化学反应，但可以溶解在溶剂和凝胶介质（水)中。致孔剂是制膜液的重要组成，强烈影响着制膜液的结构状态和溶剂的扩散速度，它们是决定膜性能的两个相互关联的重要因素。

       致孔剂可以是有机高分子或无机盐，如:聚乙二醇(PEG)系列、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、环己醇、甘油、磷酸三乙酯、磷酸三丁酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、氯化锂、氯化钙、硝酸锂、硝酸钙等。对于聚乙二醇系列致孔剂的分子量在400～1000为宜。凝胶液（凝固浴）的组成和温度，也对膜的性能有重要影响，它直接影响致孔剂和溶剂的析出扩散速度。

       制膜过程中，对于纺丝压力、纺丝温度、缠绕速度等参数的控制，则影响着中空纤维膜的几何形状，如直径、壁厚等。

       同一种膜材料制成的膜，由于不同的制膜工艺和工艺参数，其性能可能有很大的差别。合理先进的制膜工艺和最优化的工艺参数，是制作优良性能中空纤维超滤膜的重要保证。