一种筋线增强型PVDF外压中空纤维膜的制备研究

发布时间：2020-05-09 13:45

【摘要】：聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜具有优异的综合性能被广泛应用于超微滤、膜蒸馏等膜分离技术领域,但在水流或气流的冲击作用和强烈扰动的操作环境下中空纤维膜易发生断丝的现象,缩短膜组件的使用寿命,极大的限制了中空纤维膜的广泛应用,因此研制高强度的中空纤维膜具有重要意义。本文设计了一种新的筋线增强型膜结构,并研究了其制备方法。利用自主设计的具有特殊结构的纺丝喷头,制备出一种具有高拉伸断裂强力的品字外形结构的外压式筋线增强膜。与圆形外形外压膜相比,品字外形外压膜具有更大的外表面积,可以提高中空纤维膜的纯水通量。首先利用单因素实验探讨了纺丝喷头中针头类型、喷丝孔中心距离、针头位置比例以及针头探出长度等参数对筋线增强膜形貌和性能的影响,并通过膜纯水通量、抗压扁能力、最大孔径和破裂压力的测试,得到筋线增强膜最优性能的制备工艺参数:采用针头垂直式喷丝头,喷丝孔中心距4 mm,针头位置比例1:2,针头探出长度5 mm的喷丝头参数制备出PVDF筋线位于三孔中间,膜壁厚均一的筋线增强膜,并且在不影响膜纯水通量的情况下,膜抗压扁能力和破裂压力达到最优。在上述最优喷丝头参数的基础上,探究了纺丝过程中入水距离、卷绕速度等参数对筋线增强膜性能的影响,实验结果表明:当入水距离为11 cm,卷绕速度20.7 m/min时,制备的复合膜纯水通量为245 L·m-2·h-1,抗压扁能力为0.23 MPa,最大孔径为0.160 μm,破裂压力为0.385 MPa,性能最优。然后在最优纺丝工艺的基础上探讨了不同膜壁厚度对筋线增强膜的影响,结果发现,当膜壁厚度增加时,筋线增强膜的纯水通量下降,抗压扁能力和破裂压力上升,膜壁厚度减小有利于提高膜传质效率,但膜成型较为困难,因此在保证筋线增强膜成型工艺稳定的前提下,膜壁厚度为230μm的筋线增强膜具有最优的纯水通量和机械强度。最后对比分析了单孔,三孔和筋线增强型中空纤维膜,通过对三种类型中空纤维膜的纯水通量,最大孔径,破裂压力,断裂强力等基本性能进行测试,结果表明,筋线增强膜相比单孔膜和三孔膜而言,其纯水通量略微下降,膜最大孔径和破裂压力没有明显变化,但膜的断裂强力较单孔膜提升了 12倍左右,达到23.64N。因此PVDF筋线显著的提高了筋线增强膜的拉伸断裂强力,并且未对膜纯水通量造成负面影响。
【图文】：

示意图,包缠,平板膜,中空纤维膜

学交联法将功能层涂敷在基膜上可以很好的避免两层之间发生脱离。逡逑０灥Ｍ逡逑—涂敷功能层逡逑图１－２双层复合中空纤维膜示意图（外涂敷）逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｈｏｌｌｏｗ邋ｆｉｂｅｒ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋（ｅｘｔｅｒｎａｌ逡逑ｃｏａｔｉｎｇ）逡逑在中空纤维基膜外包缠一层平板膜增强法一般是将聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）平逡逑板膜在拉伸作用下包缠在中空纤维膜表面上，制备的增强型中空纤维膜的拉伸逡逑断裂强力得到大幅度的提升。在拉伸过程中利用双向拉伸法很容易获得具有较逡逑多微孔的膜结构。日本的Ｓｕｍｉｔｏｍｏ公司邋＇＇开发出一系列的平板膜包缠中空纤逡逑维膜的技术，操作时首先在中空纤维膜的表面上通过螺旋式方法包缠宽度较窄逡逑的ＰＴＦＥ条带（如图１－３所示），然后在一定的温度条件下让接触界面上的两层逡逑膜发生黏结，制备的复合膜不仅具有很好的界面结合力，，很好的避免了功能层逡逑的脱落。而且在多孔基膜的支撑作用个使得复合膜具有较高的膜拉伸断裂强力逡逑和爆破强度［５６］。逡逑图１－３平板膜包缠中空纤维膜示意图％逡逑？逦．逦［５５］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｈｏｌｌｏｗ邋ｆｉｂｅｒ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋

示意图,中空纤维膜,双层复合,外涂

多微孔的膜结构。日本的Ｓｕｍｉｔｏｍｏ公司邋＇＇开发出一系列的平板膜包缠中空纤逡逑维膜的技术，操作时首先在中空纤维膜的表面上通过螺旋式方法包缠宽度较窄逡逑的ＰＴＦＥ条带（如图１－３所示），然后在一定的温度条件下让接触界面上的两层逡逑膜发生黏结，制备的复合膜不仅具有很好的界面结合力，很好的避免了功能层逡逑的脱落。而且在多孔基膜的支撑作用个使得复合膜具有较高的膜拉伸断裂强力逡逑和爆破强度［５６］。逡逑图１－３平板膜包缠中空纤维膜示意图％逡逑？逦．逦［５５］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｈｏｌｌｏｗ邋ｆｉｂｅｒ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｂｙ邋ｆｌａｔ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑１．３．２编织管增强型中空纤维膜逡逑
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893

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