[发明专利]一种纤维管增强型中空纤维复合生物膜及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纤维管增强型中空纤维复合生物膜及制备方法与应用。本发明通过涂覆‑浸没沉淀相转化法技术，利用复合膜纺丝装置将铸膜液涂覆于编织管上，制备具有高强度、高通量的纤维管增强型中空纤维复合生物膜。本发明产品比表面积大，尤其是透氧膜的比表面积可高达5108m²/m³，以膜为载体可以在较小的空间内为微生物的生长提供充足的附着面积，大大提高了单位空间内的微生物浓度，提高单位体积处理能力，曝气效率高，再加上其选择透气的特质，氧气吸收能力是传统设备的数倍；本发明产品因其高效的氧分离特性，使得微生物在其表面附着形成生物群落，自然形成稳定的生态系统，加速了生物吸收水体污染物的效率，从而能够彻底解决黑臭问题。

技术领域

本发明涉及一种纤维管增强型中空纤维复合生物膜及制备方法与应用，属于中空纤维膜制备技术领域。

背景技术

在当今河道污染日益严重的情况下，膜分离技术的研究与应用得到了高度重视。随着膜分离技术应用领域不断扩大，对膜材料性能的要求也越来越高，传统溶液纺丝(即溶液相转化)法所得中空纤维膜的性能已不能适应膜分离技术应用发展的需要，尤其膜的拉伸强度较低，不能满足河道生态治理过程中对膜力学性能的要求，如受长时间水流的冲击、压迫作用致使断丝等现象在使用过程中经常发生。当前国内外常见中空纤维膜类别主要有均质中空纤维膜、长纤维增强型中空纤维膜及纤维管增强型中空纤维膜。均质中空纤维膜的强度较低，导致其在使用过程中不能经受过高的压力。长纤维增强型中空纤维膜则是在均质中空纤维膜中引入单根纤维作为增强体而制成，但其不能兼顾爆破强度和拉伸强度。因此，目前这两种纤维膜的应用均受到限制。纤维管增强型中空纤维膜则是将铸膜液涂覆在纤维管外表面并由纤维管作为支撑体而制成，虽然能在保证纤维膜的分离性能的同时最大化地提高增强型中空纤维膜的强度。但是目前国内外市场用于黑臭河道治理的中空纤维膜产品只是单纯的充氧，不存在生物聚集作用，无法形成稳定的生态系统，不能从根本上解决黑臭问题。因此未来的发展趋势是将气体分离膜技术与生物膜法水处理技术相结合，通过高强度的中空纤维复合生物膜彻底解决黑臭问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种双连续网络结构非对称型纤维管增强型中空纤维复合生物膜，通过产品高效的氧分离特性，氧气透过膜丝直接被生物膜利用，不必经过液相边界层，大大减小了氧气的传质阻力，从而有利于供氧速度和氧气利用率的提高。同时充分利用中空纤维膜比表面积较大这一特性优势，使其在膜表面营造了相对稳定的微环境，为水体中微生物的附着生长，提供了优越的场所，从而促进了水体微生物的快速聚集和大量繁殖，通过微生物的作用，使河道水质得到净化和改善。

本发明的第一个目的是提供一种纤维管增强型中空纤维复合生物膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)铸膜液配制：按照质量百分比计，原料组分为：

将各组分混合，搅拌均匀后进行脱泡处理，得到均质铸膜液；其中所述成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种或多种；所述的纳米粒子为石墨烯、氯化锂、二氧化硅、二氧化钛中的一种或两种混合；

(2)纤维编织管预处理：将纤维编织管置于碱液中进行浸泡，浸泡后用水清洗去除碱液，然后烘干；

(3)将步骤(1)得到的均质铸膜液置于喷丝头中，同时将步骤(2)预处理后的纤维编织管从喷丝头中心通过，通过纤维编织管携带及惰性气体压力作用，将铸膜液与纤维编织管共同挤出，得到外表面均匀涂覆铸膜液的纤维编织管；

(4)将步骤(3)得到的纤维编织管再经5～25cm长的空气间隙浸于凝胶浴中转化成膜，得到膜丝；

(5)将步骤(4)得到的膜丝收集后在水中浸泡24～72小时，得到纤维管增强型中空纤维复合生物膜。

进一步地，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。