[发明专利]一种圆形结构的十九通道聚合物中空纤维膜

说明书

技术领域

本发明属于中空纤维膜领域，具体涉及一种圆形结构的十九通道聚合物中空纤维膜。通过本发明所得的中空纤维膜适用于气体和液体分离用。

背景技术

中空纤维膜具有单位体积装填密度大、结构简单、无需任何支撑体、易于清洗等优点，已经广泛应用于大规模海水淡化、医药、食品、化工、污水处理、气体分离等各个领域。目前普遍采用的是单通道聚合物中空纤维膜，由于膜丝强度不足，在应用中不可避免地出现断丝现象，导致整个膜组件失效，进而对整个分离系统构成威胁。

近年来，研究人员针对上述问题试图通过采用多通道的方式或内衬增强复合膜的方式克服单通道膜丝断丝等问题。例如，世界专利(WO2006/012920A1)报道通过喷丝板的设计，对单通道和多通道膜局部壁厚进行增加，以提高膜强度。但是膜丝间隙的增大会明显降低膜组件装填密度。中国发明专利(CN101920172A)公开了一种聚氯乙烯三通道中空纤维膜，但其断面小孔面积占总断面面积较小，单位膜面积上需要耗费更多的膜材料。为了增加膜强度，又不至于增加过膜阻力，人们考虑由支撑层提供膜强度，而表面功能层提供膜分离性能，这样出现了单通道的复合膜。中国发明专利(CN101766960B)报道采用一种复合中空纤维膜的制备方法。该方法采用聚苯硫醚为增强材料，随单通道膜丝同时从喷丝板挤出，植入膜丝支撑层，从而提高膜强度。但由于中空纤维膜壁厚较薄，植入的聚苯硫醚位置容易偏离支撑层，不仅加大了制备难度，也容易造成膜表面功能层缺陷。

一般而言，在中空纤维膜组件的使用过程中，每根膜丝出现断丝的概率是一样的。膜丝结构上由单通道变为多通道，首先，结构强度的增加降低了单根膜丝断丝的概率。其次，通道数的增加意味着同样有效膜面积的组件所需膜丝根数降低，从而进一步降低了组件断丝的概率。2012年，期刊《Desalination and Water Treatment》(脱盐与水处理)第42卷24-29页报道了七通道中空纤维膜外径大小、小孔间隙大小与膜装填密度以及单位膜面积膜材料用量之间的关系。他们发现：当膜小孔直径固定为0.9mm时，七孔膜外径小于4.02mm时能够得到在单位膜面积膜材料用量上少于单通道中空纤维膜。当七孔膜外径小于3.92mm时，其装填密度上大于单通道中空纤维膜。同时，该文献报道了两种多通道中空纤维膜产品：小通道七通道中空纤维膜(外径4.0mm，内径0.9mm)和大通道七通道中空纤维膜(外径6.0mm，内径1.5mm)，其膜丝单位体积膜面积分别为1575m²/m³和1167m²/m³(见表1)。

在原料使用方面，多通道中空纤维膜由于将多根膜丝集成在一起降低了单位膜面积的原料使用量从而降低了生产成本，是未来制膜的发展方向之一。然而，欲进一步降低原材料使用量，却难以通过降低膜壁厚实现。七孔膜外径进一步降低，会使小孔间隙急剧降低，从而加大七孔膜的制备难度，降低七孔膜结构强度，最终影响膜使用性能和膜寿命。中国专利(ZL200820108527.6)报道采用聚氯乙烯材料制备出七通道超滤膜，其膜丝外径3.8mm，内径0.7mm。由此可见，其七孔膜外径降低是以减小小孔直径为代价的，这样就降低了单根膜丝的有效膜面积。而且，在实际使用过程中，七孔膜中单孔直径过小，容易造成堵塞或膜污染，影响膜材料的使用效率。

表1中空纤维膜内外径、通道数与单位膜体积及膜面积之间关系

综上所述，在七孔膜基础上，进一步增加膜丝的通道数能够既增加膜强度，又降低单位膜面积原料使用量。根据喷丝板机械设计原理和纺丝工艺要求，考虑在七孔膜外围分布若干通道，小孔间距不小于小孔半径时膜断面形貌规整，膜强度高。研究发现，在小孔内径和膜丝外径相同条件下，与十八通道和二十通道中空纤维膜相比，十九通道中空纤维膜单位膜断面面积中小孔面积更高，分布更合理(见表2)。

表2通道数对膜小孔面积和小孔间隙的影响

为了考察单通道与多通道中空纤维膜在机械性能上的差异，参照纺织品卷绕纱单根纱线断裂强力和断裂伸长率测定(GB/T3916-1997)，表3列出了单通道与多通道聚砜中空纤维膜的机械性能。由表3可知，随着通道数的增加，断裂应力成数量级的增加，断裂强力也有明显增加。

表3单通道与多通道聚砜中空纤维膜机械性能