有机氟工业 ・48・ Organo—Fluorine Industry 2010年第2期 聚偏氟乙烯中空纤维膜的开发与应用进展 汪多仁 摘要:介绍了中空纤维膜的性能,生产的主要技术工艺与最佳的操作条件及有关进展情况。阐述了国内外研究开发的 现状与发展趋势,并探讨了扩大应用范围等的前景与市场需求。 关键词:中空纤维膜;开发;应用 1 理化性质 中空纤维膜的直径小于0.5 mm。聚偏氟乙烯 乙烯结构的不同类型的偏氟乙烯共聚物。代表性产 品为偏氟乙烯均聚物或偏氟乙烯共聚物。典型的偏 氟乙烯共聚物是由偏氟乙烯单体和含氟如氟乙烯, 四氟乙烯,六氟丙烯等共聚单体聚合而成,这些共聚 单体可单独使用或复合使用。偏氟乙烯共聚物可包 树脂制成的中空纤维膜球形直径为0.3~3.0 mm。 中空纤维复合膜直径小,可紧密排列,在膜分离 器内装填密度大,可使设备更加小型化和简单化。 中空纤维富氧膜的富氧性能为30%,在改善膜材 含如乙烯,只要是任何其他单体共聚物具有本发明 的优点都可作为原料使用。使用的聚偏氟乙烯树脂 的平均分子量在3 X10 一~3×10。范围内。 2)增塑剂(溶剂) 液体溶剂,是在60 qc以上能够溶解树脂的溶 料、改进基膜的纺制和涂膜材料及工艺条件后,可制 成40%富氧性能的复合膜。高浓度聚合物中空纤 维膜具有较高的拉伸性能。 剂。例如,约可溶解熔点为178 oC偏氟乙烯均聚物 树脂。良好的溶剂包括中链烷基酮,酯,乙二醇酯和 有机碳酸盐,即环己酮,异佛尔酮, 一丁内酯,甲基 2工艺开发 2.1基础原料 异戊酮,邻苯二甲酸二甲酯,丙二醇甲醚,碳酸丙烯 酯,二丙酮醇和醋酸三甘油酯。其中,环己酮, 一 1)膜材料 丁内酯,邻苯二甲酸二甲酯是可取的。更为可取的 是环己酮和 一丁内酯。优良的溶剂可以是Ⅳ一甲 基一2一吡咯烷酮,二甲基亚砜,二甲基乙酰胺,二甲 制备有机高分子膜的工艺比制备无机膜简单, 无需高温、高压处理,因此目前应用在膜材料中,以 有机膜为主。常用的高分子膜材料有:聚丙烯 (PP)、聚乙烯(PE)、二醋酸纤维(CA)、三醋酸纤 基甲酰胺,甲乙酮,四氢呋哺等。 2.2操作过程 维、聚砜、磺化聚砜、聚砜酰胺、还有酚酞侧基聚芳 砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚醚嵌段共聚物、聚酰亚 复合超滤膜液由乙酸、丙酮、甲酰胺等为主成分 配制,将铸膜液涂覆于增塑挤压微孔钛管外表,经蒸 胺、甲基丙烯酸甲酯一丙烯腈共聚物及纤维素等。 发、凝胶、热处理,制得以钛微孔体为基质的超滤膜。 但PP、PE膜的耐氧化性、抗污染性及耐盐性都较 差。常用的膜材料主要包括:聚偏氟乙烯(PVDF) 和聚四氟乙烯( FE)等疏水聚合物材料,PVDF、 PTFE性能较好。 不同的膜材料具有不同的化学稳定性、热稳定 性、机械性能和亲和性能。目前已有数十种材料用 于制备分离膜。 在本发明中采用的聚偏氟树脂可以是具有偏氟 用新型复合超滤膜,可以对侧柏叶乙醇水溶液 提取液进行超滤提取。 侧柏叶有效成分提取液是以体积分数为45% 的乙醇水溶液为溶剂。膜在该体系中超滤以压力为 推动力,利用超滤膜不同孔径对液体进行分离。 中空纤维的品种极其丰富、发展迅速,其原料从 最初的涤纶发展到锦纶、丙纶、粘胶、聚砜、碳纤维 等;纤维孔数从单孔发展到四孔、七孔、九孔等;中空 2010年第2期 汪多仁・聚偏氟乙烯中空纤维膜的开发与应用进展 ・49・ 截面也从圆形发展到三角形、四边形、梅花形等;熔 纺中空纤维是通过特殊的喷丝板技术及合理调整纺 丝工艺纺制而成的。熔纺中空纤维所用喷丝板的形 状与纺制常规纤维的喷丝板有所不同。 熔纺丝纺制保暖性三维卷曲中空纤维主要采用 圆弧狭缝式喷丝板,可方便地纺制出外径较细、中空 度适宜的纤维。目前效果较好的圆弧狭缝式喷丝板 以释放它,实现指定溶质的穿膜迁移过程。 所选用的表面活性剂液膜中的溶解度要大,应 不降低液膜的选择性,并能使被分离的物质优先穿 过液膜并进行渗透。 通常使用非离子表面活性剂有助于液膜的稳定 性。 膜溶剂与表面活性剂、流动载体的互溶度要好, 主要有C形和品形喷丝板,也可由多个圆弧组合而 成多孔中空纤维喷丝板,用于纺制四孔、七孑L乃至十 几孔中空纤维。当熔体挤出喷丝板圆弧狭缝后,圆 弧形熔体膨化,端部粘合形成中空腔,经细化、固化 后形成中空纤维。 利用熔融纺丝或湿法纺丝技术,可以通过特殊 的喷丝板及纺丝组件,使所有可纺聚合物纺成中空 纤维。 对于熔纺中空纤维还可以在纤维膜壁产生微孔 来制备微孑L中空纤维膜。熔纺微孔中空纤维膜的制 备主要有两种方法:传统的方法是通过高拉伸比下 的熔融纺丝得到的中空纤维,在应力场中结晶,生成 平行排列的片晶结构,然后在后拉伸时将片晶相互 分开,形成微孔,另一种方法是热致相分离法,在较 高的温度下将原料和稀释剂混合,形成均相纺丝液 纺成中空纤维,在丝条冷却过程中发生相分离,用溶 剂、稀释剂提取出来,得到微孔中空纤维。也可将上 述两种方法结合起来,通过应力场下固一液相分离 的方法,既得到较好的透气性,又减少了大孔的形 成,而且不会出现“皮层”。 界面聚合法是目前世界上最有效的制备纳滤膜 的方法,也是工业化NF膜品种最多、产量最大的方 法。 利用P W Morgan的界面聚合原理,使反应物在 互不相溶的两相界面处反应成膜,一般方法就是用 微孔基膜吸取溶有一类单体或预聚物的水相,滤去 过多水后,在溶有另一单体的油相(如环己烷)接触 反应一定时间成膜。为了得到更好的膜性能,一般 还需水解电荷化、离子辐射或热处理过程,该方法的 关键是基膜的选取。 在不同类型的液膜体系中,其中含流动载体的 乳状液形液膜是具有潜在工业用途的一类液膜。作 为流动载体,除要求选择性好,通量大外,还必须要 求载体及其络合物不溶于水相。载体络合物的络合 具有络合作用并且必须是弱络合指定溶质,从而可 应难溶于与液膜相邻接的外相或内相溶液中。 作为膜溶剂,挥发性要小,最好使用生物降解性 非离子表面活性剂。 自2O世纪50年代膜分离技术进入工业应用以 后,每10年就有一种新的膜分离过程得到新应用。 近年又衍生出了超低压反渗透膜,在各种性能优异 的膜不断被开发出来的同时,近年以又开发了卷式 和中空纤维式膜组件。 本发明涉及到的是中空纤维微滤膜和中空纤维 超滤膜的制作方法。 聚合物溶液,从双管喷丝板排出,形成一个中空 纤维膜,中空纤维膜冷却获得凝胶产品。 聚偏氟乙烯膜制备采用的是如下方法:(1)将 聚偏氟乙烯溶解在一个优良的溶剂内,在大大高于 熔点的较低的玻璃化温度下,使无机和有机液体粒 子与聚偏氟乙烯熔融混合,经喷丝板挤压或在温度 超过聚偏氟乙烯熔点的温度下塑造成型,经挤出后 将固化液冷却,然后与有机液体和无机粒子分开,形 成多孔结构。 聚合物溶液是通过一个旋转排出的双管喷丝 板,进入一个有预定长度干燥段和在冷却浴中凝聚 形成中空纤维膜。聚合物溶液从喷丝板排出,聚合 物溶液过滤,最好是通过不锈钢过滤器。最好的喷 丝板外径为0.7—10 mm,内径0.5—4 mm。纺纱 (喷丝板表面之问的距离)和冷却浴表面最好是在 1O一1 000 n'Lrn范围。喷丝板温度 可以是不同的 溶解温度。最好的溶解温度应能较均匀迅速溶解并 比喷丝板温度 高。在中空纤维聚合物凝固成一 个中空纤维膜的过程中,凝固浴包含两个或多个组 合溶剂。此外,快速与聚合物之间的温度和聚合物 溶液溶解温差冷却促进形成一个具有高渗透性和高 拉伸性能膜结构。在一个稀的溶剂浴中冷却和在一 个高浓度抑制非溶剂诱导相中分离,由此形成的中 空纤维膜没有表面致密层。如果冷却浴含有高浓度 的溶剂,例如水,由此产生的膜具有致密的表层和不 ・50・ 有机氟工业 Organo—Fluorine Industry 2010年第2期 会出现水渗透,即使在被拉伸后形成膜。 态机制决定。 聚合物溶液冷却降温速率最好是大于3 qC/min, 喷丝板温度( )最好为2O℃。该结晶温度(Tc)最 好具有尽可能低的冷却效率,凝固浴可包含两个或 多个组分的少量溶剂。溶剂可很容易回收。 溶剂是由环己酮、异佛尔酮组成的复合组分,选 在液一液相分离过程中,双结点曲线在比结晶 曲线较高温度的一面。该聚合物溶液逐渐冷却的熔 点。当聚合物溶液达到双结点曲线上的任何温度, 溶液分为集中聚合物阶段和稀释聚合物阶段。相分 离继续进行,直到达到结晶温度。最后去除溶剂后 定 一丁内酯和邻苯二甲酸二甲酯。 聚偏氟乙烯树脂的溶剂溶解温度最好为100— 170℃。此外,聚合物溶液粘度,必须在合适的范围 内,以制备中空纤维。对于聚合物溶液配制,可使用 不同类型的溶剂。溶剂可包含成核剂,抗氧化剂,增 塑剂和润滑剂等,只要在聚合物中的溶解度不发生 重大变化。 聚合物溶液冷却的分离温度在80—175 cC。在 这个过程中,微球结构互相连接,形成一个具有毛孔 结构的中空纤维膜。该微球的结构假定为球晶。在 这个过程中形成的球晶是在聚偏氟乙烯溶液相分离 中形成多孔聚偏氟乙烯树脂的沉淀。制成的中空纤 维膜具有较高的机械强度。 由于是在高浓度聚合物溶液中,在一个稀的高 粘度随温度变化的溶剂形成中空纤维膜通常是困难 的。如果聚合物溶液粘度很低,聚合物组分不能不 断凝结或冷却干燥,则不能形成中空纤维膜。如果 粘度过高,聚合物溶液就不能顺利地排出喷丝板和 不能形成中空纤维膜。在本发明中,球形结构形成 是由一个聚合物溶液温度控制特定范围内的复合和 一个冷却的过程。具体来说:(1)如果聚合物溶液 温度明显低,凝胶或固化之前产生的球形结构,没有 形成有水渗透的多孔结构,(2)如果温度明显高,需 要长时间冷却,凝胶和固化。在这种情况下,大球结 构的形成和聚合物分子总量下降,造成膜结构具有 较低的机械强度。 相分离过程是一个非溶剂诱导相分离过程,诱 导阶段通过与非溶剂和热致相分离的过程,诱导由 温度的变化相分离接触分离分类生产多孔膜。热诱 导相分离过程主要采用以下两种分离机制之一:液 液相分离,固液相分离。在液一液相中,在高温下均 匀的聚合物溶液中分离到一个集中的阶段,一个由 聚合物中的溶解度下降稀释聚合物在冷却阶段的一 步。在固液相分离,在高温下均匀的聚合物溶液中 分离到一个固体聚合物结晶聚合物和稀释聚合物溶 液相冷却过程中形成。这个过程是由聚合物溶液相 形成的多孔结构是矩阵结构(海岛结构),但结构取 决于聚合物溶液的组成和冷却速度。 控制膜的形成条件,使结晶温度变得更高。因 此,膜结构,即球晶尺寸可缩小。膜具有良好的结构 和较高的分离性。条件的影响,例如,聚合物浓度, 聚合物类型(分子量,分枝的形状,共聚物类型),溶 剂型和添加剂影响结晶。例如,随着聚合物浓度,结 晶温度 增加,而球晶尺寸减小。由于结晶球晶尺 寸减小温度 增加。此外,增加分子量聚合物球晶 尺寸增大。该结晶温度死是由聚合物类型(均聚物 或共聚物)和分枝形状决定。在具有大致相同的分 子量与球晶尺寸时,往往会降低聚合物溶液的结晶 温度 ,这是由聚合物分枝结构的形状和类型决定 的。 聚合物类型的选择,应以提高聚合物浓度,结晶 温度,聚合物溶液为基准。此外,聚合物原液最好含 有添加剂,如有机和无机盐,以达到理想的结晶温度 。 该球晶的形成是一个放热反应。一般来说,第 一次在聚合物结晶形成的聚偏氟树脂等晶体被称为 主核,主要核长成球晶。如主核形成率较低,热在基 层细胞核增长产生抑制的主要核进一步形成和促进 生成的主核进一步增长。该晶体继续增长,直到球 晶互相碰撞。由于晶体生长是由碰撞终止。相比之 下,聚合物具有较低的结晶温度死,结晶被抑制,以 及由此产生的相对较小的初级核形成的球晶尺寸增 大。 结晶温度,聚合物溶液最好是在48~95 qC。结 晶温度超过120 oC时形成高分子聚合物溶液结晶, 如膜溶解和阻塞管道,高温控制造成能源损失。此 外,必须迅速从高温冷却到结晶温度。聚合物浓度 必须高,否则不能获得一个高孔隙率膜。 如上所述,生产中空纤维膜,包括聚偏氟乙烯树 脂,其中,聚偏氟乙烯树脂的含量至少为30%一 60%。这样,有利于一个具有高渗透性和良好的膜 结构膜的生产。 2010年第2期 汪多仁.聚偏氟乙烯中空纤维膜的开发与应用进展 5 1・ 聚合物溶液冷却降温速率最好是大于3 qC/min。 操作示例如下: 例1:按照本发明,聚合物为偏氟乙烯单体均聚 物,用少量的环己酮为溶剂,水性环己酮溶液同时在 中空部分用于液体冷却浴。聚合物具有一定的重均 分子量,在给定温度下高分子聚合物溶液通过喷丝 头进人中空部分管内,在少量的溶剂和给定的温度 下凝聚,形成中空纤维膜。 例2:中空纤维膜的制备如例1所述。在88 c【= 下用水拉丝两次。形成的中空纤维膜外径为1.55 mm,内径为0.95 mm,在100 kPa和25℃下少量液 体的透过性为1.9~3 m/h。延续时间大于2 h。拉 伸强度880 g/纤维,断裂伸长率55%。 例3:按重量计用60%的环己烷,30%聚偏氟乙 烯(重均分子量为358 000)均聚物和10%四氟乙 烯/偏氟乙烯共聚物在165℃下溶解,145 oC下喷 丝。100%环己酮(中空部分形成液体)进入喷丝管 内空心部分,在3O c(=下用90%环己酮凝聚浴凝固。 在80℃下用水抽提3次,形成的中空纤维膜为外径 1.40 mm,内径为0.90 mm,在1(30 kPa和25 cC下少 量液体的透过性为1.9~3 m/h。拉伸强度880 纤 维,断裂伸长率55%。 例4:按重量计用60%的异佛尔酮,30%聚偏氟 乙烯(重均分子量为417 000)均聚物,在165 oC下 溶解,100 oC下喷丝。100%异佛尔酮(中空部分形 成液体)进入喷丝管内空心部分,在30 cc下90%异 佛尔酮凝聚浴凝固。在8O cc下用水抽提3次,形成 中空纤维膜外径为1.40 rnrn,内径为0.90 ITIITI,在100 kPa和25℃下少量液体的透过性为1.9~3 m/h。拉 伸强度1 010 g/纤维,断裂伸长率54%。 实例5:按重量计用60%的邻苯二甲酸二甲酯, 40%聚偏氟乙烯(重均分子量为417 000)均聚物在 165℃下溶解,110 cc下喷丝。中空成型液体由 60%邻苯二甲酸二甲酯与40%乙二醇组成。 在120 clC下用水抽提3次,形成中空纤维膜外径 为1.04 n-ifn,内径为0.90 1Tffn,在100 kPa和25 cc下少量 液体的透过i生为1.9~3 m/h。拉伸强度880 g/纤维,断 裂伸长率55%。 例6:将60%(wt) 一丁内酯和40%聚偏氟乙 烯均聚物(重均分子量417 000)在120 c【=下熔融。 溶液结晶温度(死)41℃。由此选择排出温度最好 为41℃。试验喷丝头标准温度为131 oC。中空纤 维膜的制备方法如例1所述。在中空段的混合溶液 为90%(wt)的 一丁内酯和10%(wt)的水。 2.3成品特点 本工艺开发的中空纤维膜具有优良的可透过 性。孔径之间具有延伸性。 3 实际应用 微孔中空纤维制成的膜具有选择透过性,可以 使气体、液体混合物中某些组分从内腔向外或从外 向内腔透过中空纤维壁,而同时对另一些组分具有 截留作用。现已广泛应用于气体分离、海水淡化、血 液透析、人工肾脏、废水处理等工业领域。 膜技术是2l世纪最重要的高新技术之一。膜 具有物质分离、能量转换、物质转化、控制释放、电荷 传导、物质识别等功能;膜技术的发展遵循了模拟自 然、改造自然、回归自然、服务自然的规律,它具有高 效、节能、环保、操作简便等突出优点,在几乎所有领 域中都有广泛的应用市场。可以预见,它将为我国 发展循环经济保驾护航,为创办绿色产业奠定技术 基础。 如微滤膜和超滤膜分离膜已被用在各个领域, 如食品工业、医疗、水的生产和废水处理。近年来, 膜分离也被用于饮用水的生产,即水的净化处理。 膜分离过程在常温进行,无相变,不产生二次污 染,是一种高效节能型分离净化技术,尤其对于中空 纤维膜,由于高装填密度和易于在线反洗,在环保领 域更具应用潜力。中空纤维微孔膜的分离机理是筛 孔分离机理,在压力驱动下,尺寸小于膜分离孔径的 分子或粒子可穿过纤维壁,而尺寸大于膜分离孔径 的分子或料子则被纤维壁所截留,从而实现大小粒 子的分离。 杀菌剂,如我国使用次氯酸钠消毒渗透水和防 止在某些情况下膜生物污染。此外,膜的清洗,如盐 酸,柠檬酸酸和草酸,碱,如氢氧化钠,表面活性剂。 因此,聚偏氟乙烯分离膜具有高耐化学性。在水处 理,由于氯污染,如必须具有致病微生物抗药性。在 这种情况下,中空纤维膜必须具有很高的拉伸性能, 防止由膜断裂造成原水受到污染。术语“原水”代 表河水、湖水、地下水、海水、废水、排放水、处理过的 水段。 水处理,诸如排水处理,水净化处理,工业用水 有机氟工业 ・52・ Organo—Fluoirne Industry 2010年第2期 和生产,可将膜技术用于处理工业废水和化学废水, 离膜的总产值以每年12%~15%增长速率快速向 这是膜最有希望的用途之一。适用于处理污水中可 前发展。 能含有大量无机杂质,像Cu、Hg、Ag、Se、Cr、CN等 中空纤维膜分离器可用于物质的分离、浓缩与 离子及有机杂质,像酚、醋酸、柠檬酸、尿素等,都可 提纯。这种中空纤维膜分离器可分为内压型和外压 以用液膜渗透法去除。如无论是低浓度或高浓度的 型。与其他分离装置相比,具有体积小、分离效率 含酚废水,都能用含浓氢氧化钠的液膜体系进行净 高、适应性强的优点,且节省能源,无污染,广泛用于 化,净化后酚的浓度可减至l×10-¨。 水净化、有机及无机物的分离,能回收氨中的氢和回 将液膜法用于工业废水处理成本低廉、快速高 收天然气和石油炼厂气中的氢和浓缩氧气,气体分 效、操作简单。乳状液膜技术是今后工业废水处理 离技术的发展和市场应用潜力巨大。 研究与应用的重要方法之一。液膜技术特别适用于 含锌废水、含酚废水、含铅废水、含氰废水、含镉废水 参考文献 等的处理。用乳状液膜体系处理相应的重金属工业 1 Balachandran U,Dusrk J T,Matya P S,et a1.Development 废水有着广阔的发展前途。 of dense ceramic membrans methane conversion.Foureh in- 在我国,2l世纪的膜分离技术作为用于化学物 ternational natural gas conversion symposium,1985. 质的分离,将具有极其广阔的发展前景。 2 Chen M S,Eng R M,glazer J L,et a1.Pervaporation process for separating alcohols from ethorsus patent,4 774 365, 膜分离技术被称为对传统化学分离方法的一次 1983. 革命。对于天然产物的分离,它将是21世纪最有发 3 Minegishi Shin—Ichi(Shiga,JP),Henmi Masahim(Shi- 展前途的新技术之一。膜分离是利用天然或人工制 ga,JP).Ishizaki;Toshiyuki(Shiga,JP),Dan Koichi 备的具有选择透过性膜,以外界能量或化学位差为 (Shiga,JP).Honow ifber membrane and method of produ・ 推动力对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、 cing the same,7 504 034. 分级、提纯和浓缩的方法。由于其省能、高效、简单、 4 Ryo Komura,oshinori Koizumi.HoHow fiber membrane type 造价低、易于操作,可代替传统的分离技术(如精 blood puriifcation de ̄ce,US 2008/0245723 A1. 馏、蒸发、萃取、结晶等过程),所以是对传统分离方 5 HoUow Fibers,a method of manufacturing a hoHow fiber 法的一次革命,被公认为20世纪末至21世纪中期 Bundle,a cylindrical module of hollow fiber membrane,and 最有发展前景的高新技术之一。 na immersion type module of hoHow fiber membrane.US 20()9/0301 959 A1. 随着新型高分子材料的开发,分离功能材料在 功能高分子材料中已占有十分重要的地位。世界分 Development and Application of PVDF Hollow Fiber Separation Membrane Wang Duoren Abstract:Advances and prospect of hollow fiber separation membrane manufacturing technology are reviewed in the paper.The features and technologies for industrial production of hollow fiber separation membrane were dis— cussed and reviewed.Research and development trends at home and abroad have been presented in the article. Keywords:hollow fiber separation membrane;development;application