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1、第23卷第4期膜科学与技术Vo1.23No.42003年8月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYAug.2003文章编号:1007-8924(2003)04-0172-09单皮层中空纤维超滤膜及其应用刘忠洲(中国科学院生态环境研究中心,北京100085)摘要:简要介绍了单皮层中空纤维超滤膜制备的思路、原理和工艺方法,并对其在各个领域中的应用进行了讨论.关键词:单皮层;超滤膜;中空纤维中图分类号:TQ028.8文献标识码:A中空纤维超滤膜组件具有处理效率高,膜面积装填密度大及可以反冲洗等优点,在国内外已被广泛采用.中空纤维超滤膜从
2、膜结构上看,可以分为单表皮层与双皮层中空纤维超滤膜.从应用方式分有内压式和外压式2种.单表皮层中空纤维超滤膜又分为内皮层式和外皮层式.单内皮层中空纤维超滤膜具有如下优点.(1)由于料液流经中空纤维内孔,所以料液分配均匀,流速较高,有利于克服浓差极化.(2)由于内、外表面上的孔径差别较大,且无中间海绵层(双皮层膜有)所以透过内表皮层的分子,不会被外皮层截留,产生堵塞与吸留的可能性小.(3)由于凝胶层形成仅发生在内表面,所以可用反冲洗来有效地清除.所以受到科技界与工业界的重视,将在生物工程产品的浓缩、分离和纯化,工业废水处理,食品工业,医药行业,海水和
3、苦咸水淡化的预处理等领域有广泛的应用,而且超滤技术将在清洁生产工艺和资源综合利用中发挥重要作用,应用前景广阔.1制备方法1.1从单一膜液一次成形制备从单一膜液一次成形制备单皮层中空纤维超滤膜的工艺与从单一膜液一次成形制备双皮层中空纤维超滤膜的工艺相似,主要思路是在制备单皮层中空纤维超滤膜时,需要控制内外表面的凝胶过程.对于单内皮层中空纤维超滤膜,它的形成过程是在膜液通过环形喷丝孔喷出同时,中孔凝胶介质由内孔喷出,从纤维内壁开始凝胶,利用外部环境的控制,使纤维外壁凝胶极慢或基本不发生凝胶,直至整个纤维截面凝胶基本完全,纤维才进入凝固漂洗浴,在外表面
4、形成大孔表皮层或全开放的无皮层结构,同时漂洗出全部溶剂及添加剂,得到具有单内皮层的中空纤维超滤膜,其凝胶过程和膜结构见图1、图2.图1单内皮层中空纤维超滤膜凝胶过程对于单外皮层中空纤维超滤膜则与单内皮层的中空纤维超滤膜相反,新生态纤维经过很短空气间隙或直接进入凝固浴,控制中空介质组成使中空纤维膜内表面凝胶极慢或基本不发生凝胶,直至整个纤维截面凝胶完全,使内表面形成大孔表皮层结构.膜结构见图3.利用三同心圆孔(或叫双环形孔)喷丝头和第一、第二凝胶介质通过不同孔调节中空纤维膜内外收稿日期:2003-06-30作者简介:刘忠洲(1942-),男,江苏省元
5、含县人,从事高分子化学,电话:010-62849195.图2单内皮层PAN(聚丙烯腈)中空纤维超滤膜电镜照片图3单外皮层中空纤维膜结构图表面凝胶速度,得到单内表皮层或单外表皮层中空纤维超滤膜.其制备过程原理图示于图4.1.2从2种组成膜液制备从2种组成膜液制备单皮层中空纤维超滤膜工艺,是把2种膜液分别从不同环形孔挤出,中空介质由内孔喷出.相似于上面的过程,通过控制中空介质组成和外环境及凝固浴组成,调节纤维内、外表面凝胶速度达到内外表面不同结构,形成单内皮层或单外皮层中空纤维超滤膜(图5).其优点是:(1)可以根据支撑层性能要求和分离层性能要求分别
6、选择两种膜液的聚合物种类、浓度,溶剂和添加剂;(2)中空介质组成和凝固浴组成可调节范围较宽.其缺点是工艺较复杂,条件控制较难.1.3有支撑体的单皮层中空纤维超滤膜加拿大Zenon公司开发出一种制备有支撑体的中空纤维微孔膜工艺.其基本流程为:首先采用特制图4三同心圆孔喷丝头-双凝胶介质制膜示意图图5三同心圆孔喷丝头-双膜液制膜示意图的连续超细纤维喷出编织机制备外径为1～2mm的编织管,采用特定条件定型,然后将其外表面采用相似外管膜制备方法涂复一薄层膜液,进入凝固浴凝胶.采用此方法制备的单外皮层中空纤维微孔膜具有很高机械拉伸强度和韧性,特别适用于膜生物
7、反应器用膜,据说使用寿命为3～5年.2应用研究2.1超滤法处理含原油污水含原油废水中含油量通常为100～1000mg/L,超过国家排放标准(10mg/L),故排放前必须进行除油处理.目前已有的处理方法虽有一定的效果,但都有明显的缺点.应用中空纤超滤膜组件和超滤设备,在操作压力为0.10MPa,污水温度40℃时,膜的透水速度可达60～120L/(m2·h),可以把含原油200～1000mg/L的废水处理并达到环境排放标准以下.超滤设备运行500多小时,设备透水速度在每小时2t以上.在各种原液浓度、各种温度下,透过液原油含量均低于10mg/L,经计算
8、比较,超滤法比旧工艺节能36.5%,节省占地面积25.2%,节省投资16.3%,年经营费节省12.4%.2.2印钞擦版废液
