中空纖維超濾膜的制備

1、中空纖維超濾膜的制備實驗概述超濾膜的工業(yè)應(yīng)用十分廣泛，已成為新型化工單元操作之一。用于分離、濃縮、純化生物制品、醫(yī)藥制品以及食品工業(yè)中；還用于血液處理、廢水處理和超純水制備中的終端處理裝置。在我國已成功地利用超濾膜進行了中草藥的濃縮提純。超濾膜隨著技術(shù)的進步，其篩選功能必將得到改進和加強，對人類社會的貢獻也將越來越大。例如聚碉中空纖維超濾膜，聚碉膜由于具有良好的滲透性、耐溫性、耐溶劑性及良好的機械性能等優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用，小至家用凈水器，大到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，從普通民用到高新技術(shù)領(lǐng)域都有不同規(guī)模的應(yīng)用，甚至于在環(huán)境保護方面也有極大的使用潛力，超濾是一種最有發(fā)展前途的膜法分離技術(shù)二、實驗?zāi)康腳|1

2、.了解相轉(zhuǎn)化法制備中空纖維膜的工藝過程；2 .掌握制備中空纖維超濾膜的基本原理及實驗操作技術(shù)3 .掌握用于中空纖維膜結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法。三、超濾膜的原理中空纖維膜的制備方法有：濕法、干-濕法、熔融法和干法。本實驗采用干-濕法，過程如下：首先將過濾后的由聚合物、溶劑和成孔劑組成的鑄膜液用氮氣將釜中料液壓出，從環(huán)行噴絲頭（常用噴絲頭的斷面結(jié)構(gòu)如圖 1 1 所示）的縫隙中擠出，同時將芯液注入噴絲頭插入管中，經(jīng)過一段空氣浴后，鑄膜液浸入凝固浴中發(fā)生雙擴散：鑄膜液中的溶劑向凝固浴擴散以及凝固浴中的凝固劑（非溶劑）向鑄膜液中的細流擴散。膜的內(nèi)側(cè)和外側(cè)同時發(fā)生凝膠化過程，首先形成皮層，隨著雙擴散的進一步進行，鑄

3、膜液內(nèi)部的組成不斷變化，當達到臨界濃度時，膜完全固化從凝固浴中沉析出來，將膜中溶劑和成孔劑萃取出，最終得到中空纖維膜。圖I噴絲頭斷面結(jié)構(gòu)示意圖（a）插入管式；（b）插入柱式：（c）異形噴絲板超濾膜篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當原液流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進液側(cè)，成為濃縮液，因而實現(xiàn)對原液的凈化、分離和濃縮的目的。每米長的超濾膜絲管壁上約有 6060 億個 0.010.01 微米的微孔，其孔徑只允許水分子、水中的有益礦物質(zhì)和微量元素通過，而最小細菌

4、的體積都在 0.020.02 微米以上，因此細菌以及比細菌體積大得多的膠體、鐵銹、懸浮物、泥沙、大分子有機物等都能被超濾膜截留下來，從而實現(xiàn)了凈化過程。超濾膜的超濾特性：在膜分離技術(shù)范疇內(nèi)，分離精度自反滲透至微濾過濾范圍的連續(xù)譜圖中可見，超濾介于納濾與微濾之間。超濾的定義域為截留分子量500500500000500000 左右，相應(yīng)膜孔徑大小的近似值為 0.0020.002 以0.10.1 小。截留分子量與膜孔徑兩者尚無對應(yīng)關(guān)系。簡單的理解，超濾膜如同篩子，在一定壓力(0.10.10.6mpa)0.6mpa)下，允許溶劑和小于膜孔徑的溶質(zhì)透過，而阻止大于孔徑的溶質(zhì)通過，以完成溶液的凈化、分離和

5、濃縮。四、實驗儀器及原料1.膜組件管式膜組件:券構(gòu)簡單、翊性愿壓力損失小、透過量大，青洗、辣方便、可時陋，適宜處理高粘度及麟液體.但比施積小。 適于微濾和超濾，牛根膜俎件特點：較管式組件比表面積大得多,易于更換膜，適于微濾、超濾。陶瓷管式膜組件圖 0*R承開長瓶式加溫樣的科他螺旋卷式膜俎件特點：膜面積大，湍流情況好，但制造裝配要求高、清洗檢修不方便，不能處理懸浮液濃度較高的料液.可用于微濾、超濾和反滲透.中空纖維式膜組建80就Mffl舶*版叫打展18皿短處力Q2.設(shè)備中空纖維膜紡絲機一臺2所示），包括如下附件：計量泵（規(guī)格為1.2ml/r）,噴絲頭,圖2干-濕法制備中空纖維膜示意圖：（I）料液

6、釜，（II）芯液3.原料工業(yè)級聚碉或聚醛碉；聚乙二醇（工業(yè)級，相對分子質(zhì)量20000）;N,N-二甲基乙酰胺（工業(yè)級）；甘油（工業(yè)級）五、工藝參數(shù)釜體溫度計量泵溫度過濾器溫度凝固浴溫度60C45C40C1525C芯液流速卷繞速度15協(xié)茲20協(xié)玄玄六、實驗內(nèi)容1.準備工作：根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)要求確定膜制備工藝參數(shù)，包括聚合物濃打開總電源一開動攪拌一溶解釜開始升溫一加入聚合物一加入成孔劑加入剩余 1/41/4 溶劑一在 60c60c 攪拌溶解 810810 小時一溶解完成后關(guān)閉攪拌靜置脫泡 12201220 小時一脫泡完成后旋緊攪拌軸壓蓋一通入 0.30.50.30.5MPaMPa 氮氣一打開過濾器閥門

7、（泵座在紡絲前預(yù)熱 0.50.5 小時以上）一開啟計量泵（鵝頸管開口向上）一待擠出物料基本沒氣泡時關(guān)閉計量泵一安裝噴絲頭一開啟芯液閥門一開啟計量泵一用導絲鉤將初生纖維壓入凝固浴槽并自另一端引出一卷繞一切割。將切割后的中空纖維膜浸于水槽 1212 小時，中途換水 2 2 次，洗去溶出的成孔劑聚乙二醇；在 50%50%勺甘油中浸泡 1212 小時，取出后晾干待用。七、實驗結(jié)果處理2.2.膜制備過程：適當旋松攪拌軸壓蓋在溶解釜加料口加入應(yīng)加溶劑的 3/43/4上圖是我們紡的聚碉中空纖維超濾膜，由于機器出現(xiàn)故障紡的比較少，在實驗室里紡的產(chǎn)品的水通量和截留率不是太好1 1 . .將中空纖維膜浸入甘油水溶

8、液中的目的是什么？答：很多的中空纖維膜是疏水性的。進入甘油水溶液是為了保持其親水性，維持其膜通量。說白了就是怕膜干掉，干了就不能過濾水了。保持孔徑的穩(wěn)定。2 2 . .影響膜結(jié)構(gòu)的主要因素有哪些？答：壓桿有長細比截面慣性矩（截面形狀大小）截面材料性質(zhì)（彈性模量）具體參考材料力學壓桿穩(wěn)定章受彎構(gòu)件穩(wěn)定性有平面內(nèi)穩(wěn)定和平面外穩(wěn)定與截面性質(zhì)腹板與翼緣尺寸截面類型等有關(guān)考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性設(shè)計般式取結(jié)構(gòu)受力利壓桿或者梁類構(gòu)件進行穩(wěn)定性和承載力計算當與結(jié)構(gòu)整體布置支撐情況也有關(guān)整體結(jié)構(gòu)平面及其豎向布置規(guī)則與否剛度變化否突變有關(guān)3 3 .膜組件封裝過程中的需要注意哪些問題？答：要注意加墊圈，增加密封效果。要

9、清理掉組件中的雜質(zhì)、異物。盡量減少氣泡的產(chǎn)生。殼體與螺紋套之間的粘接選用法國進口膠水粘接，粘接長度加長了，連接間隙均勻一致中空纖維超濾膜性能的測試、實驗原理1 1 .掌握簡易的實驗室超濾膜組件封裝的操作技術(shù)；2 2 .掌握中空纖維膜滲透通量和分離效率的測試方法。二、實驗原理膜的性能包括物理化學性能和分離透過性能。膜的物理化學性能是指承壓性、耐溫性、耐酸堿性、抗氧化性、耐生物與化學侵蝕性、機械強度、膜的厚度、含水量、毒性、生物相容性、親水性和疏水性、孔隙率、電性能、膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及膜的平均孔徑等。膜的分離透過特性主要是指滲透通量和分離效率。超濾膜分離基本原理是用壓力差作為推動力，利用膜孔的滲透和

10、截留性質(zhì)，使不同的組分實現(xiàn)分離，因此要達到良好的分離目的，要求被分離的組分間相對分子質(zhì)量至少要相差一個數(shù)量級以上。超濾膜分離的工作效率以滲透通量和分離效率作為衡量指標。膜通量計算如下式：一Sxl式中，J J 為膜的滲透通量（通常測試純水通量）（L/mL/m2h,0.1MPah,0.1MPa）; ;S S 為中空纖維膜的有效面積 （外壓法為膜外表面積， 內(nèi)壓法為膜內(nèi)表面積）（m m2 2）；V V 為透過液體的體積（L L）; ;t t 為時間（h h）0 0組分截留率的定義如下：R=1-x10056G式中一 R R 為截留率；CoCo 為原溶液濃度；CiCi 為透過液濃度。將中空纖維膜封成膜組

11、件后,進行中空纖維膜的通量與截留率的測試。 進料液可以從膜的內(nèi)表面透過膜,也可以通過膜的外表面透過膜,因此測試水通量和截留率的方式分為內(nèi)壓法和外壓法，如圖 3 3 所示。另一方面，根據(jù)料液在膜組件中流動方式的不同，測試水通量和截留率的方式又可以分為：錯流法和死端法。綜上所述，測試中空纖維膜的水通量和截留率的方式可以分為：內(nèi)壓錯流法、外壓錯流法、內(nèi)壓死端法和外壓死端法，如圖 4 4 所示。本實驗中測試中空纖維膜的通量和截留率用的都是內(nèi)壓錯流過濾，如圖 4 4(a)(a)所示。三、實驗原料和設(shè)備1.1.原料:(1)(1)組裝膜組件所需材料中空超濾纖維膜；塑料管；尼龍(1010)1010)管;次性紙

12、杯；哥倆好膠；705705 膠；膜組件封裝專用樹脂。(2)(2)測試水通量和截留率所需材料碳素墨水；量筒；塑料量杯；菌種瓶。2.2.設(shè)備：防震壓力表；不銹鋼球形閥門；輸液泵；三通；變徑；PUPU 管。四、實驗裝置與流程如圖 5 5 所示。G:G:量筒 H:H:閥門 I:I:閥門管道標號：1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6五、實驗步驟1 1、中空纖維膜的預(yù)處理與孔徑觀察截取一小段膜，在光學顯微鏡下觀察內(nèi)、外表面和斷面的孔結(jié)構(gòu)。2 2、膜組件的封裝（1 1）剪取 4-5cm4-5cm 的塑料管兩根，用哥倆好膠將其一端粘在紙上，兩根塑料管的距離 10-15cm,10-15cm,晾干備用。

13、（2 2）取長度約 30cm30cm 中空纖維膜 5-105-10 根，剪齊，在膜兩端涂覆 705705 硅橡膠進行封端，干后（約 6 6 小時）在膜兩端套上尼龍管（4-5cm4-5cm）o o（3 3）組件澆鑄：將膜組件專用樹脂（兩組份）在一次性紙杯中按一定比例混勻，倒入（1 1）中的塑料管中（充滿塑料管體積的 2/32/3）, ,然后將（2 2）中的尼龍管插入到塑料管中（注意：尼龍管不能插到底，膜要插到底；在操作的過程中盡量防止氣泡的產(chǎn)生），等樹脂完全固化后（約 1212 小時），進行修整（撥去塑料管，將膜長出尼龍管的部分割去），得到實驗室用簡易的膜組件，并檢驗?zāi)そM件是否漏。3 3、水通量

14、與截留率的測試（1 1）水通量的測定如圖 5 5 所示，用泵將純水壓送到中空纖維膜組件內(nèi)，進口壓力恒定為 0.10MPa,0.10MPa,經(jīng)過膜分離，用量筒接取滲透液，記錄一定時間內(nèi)滲透過膜的水量，多D11111111圖 5 5 中空纖維超濾膜過程流程A:A:磁力攪拌器(電熱套)B:B:進料桶 C:C:溫度計 D:D:泵 E:E:壓力表 F:F:膜組件余的水則回流到貯槽中。測試三次，取其平均值。計算得到純水通量。（2 2）用中空纖維膜組件截留碳素墨水中的碳素顆粒，截留實驗用的裝置和測試膜水通量的裝置相同。將一定濃度的碳素墨水（約 0.4g/L0.4g/L）溶液作為測試的進料液，置于磁力攪拌器上

15、不停攪拌，以保證實驗過程中混合均勻。用濁度儀測試原料液和滲透液的透光度。（3 3） 繪制“濁度-碳素墨水濃度”標準曲線， 根據(jù)所測濁度， 在標準曲線上找出濃度，計算得到截留率。六、實驗結(jié)果處理1.水通量的計算體積ml2345678910時間min10.3017.0023.3627.4831.5936.0340.0244.0648.09孑L徑d=0.0735mms=Tt*d*h=3.14*0.0735*350=80.78mmA2=8.08*10A-5mAt=0.402h根據(jù)數(shù)據(jù)，后七個比較穩(wěn)定，則J=v/(s*t)=6*10A-3/(0.4092*8.08*10A-5)=184.72l*mA-2

16、*hA-12.截留率的測定，過濾前濁度=98.5過濾后濁度=2.15根據(jù)濃度-濁度的關(guān)系曲線，過濾前的濃度=0.16mg/l過濾后的濃度=408.8mg/lR-lxlOO%4=1-0.16/408.8*100%=99.96%七、實驗結(jié)論及感想在聚碉中空纖維超濾膜的制備與性能的測試實驗中，我了解了中空纖維膜的制備方法，熟悉了實驗設(shè)備，也了解到利用中空纖維膜超濾的原理，水通量和截留率測定的原理。在做實驗的時候，查了一些資料，更加明白中空纖維膜和我們的生活密密相關(guān)，例如咱們喝的水通常要就行過濾處理，就會用到該膜，而膜技術(shù)在國內(nèi)已開始廣泛應(yīng)用，膜技術(shù)推廣也已進入成熟期，采用膜技術(shù)進行污染物與水分子進行分離，可將寶貴的水資源進行二次利用，同時污染物中的貴重金屬離子也可以過濾濃縮回收使用，經(jīng)濟效益十分可觀，知名石化、羊絨制造、飲料、醫(yī)藥、城市污水處理等單位已大規(guī)模應(yīng)用，不占地，不耗費能源，投資收益明顯，前景極為廣闊。例如在發(fā)酵液除菌過濾發(fā)酵，液菌體濃縮回，用果酒、藥酒、低度白酒的澄清過濾除濁，茶飲料、果飲料澄清過濾濃縮，中藥提取液的分離和精制，高濃度高黏度溶液過濾，城市污水回收，住宅小區(qū)或大