[发明专利]一种新型中空纤维气体分离膜的制备装置及其方法与应用

说明书

本发明提出一种新型高性能中空纤维膜的制备装置及其方法与应用，将膜丝的溶剂交换、干燥定型、膜丝涂层工艺和固化工艺集成在一个装置中，形成连续中空纤维膜制备工艺，改变以往分段式的中空纤维膜丝制备工艺，提高膜丝制备的稳定性和安全性，同时缩短膜丝制备时间，显著提高膜丝的生产效率。利用本发明制备的中空纤维膜可以用于不同气体分离，如氧气与氮气分离，氢气和氮气分离，氢气与二氧化碳分离，二氧化碳与甲烷分离，氦气和氮气分离，以及氙气与空气的分离等。

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，涉及一种新型中空纤维气体分离膜的制备装置及其方法与应用。

背景技术

膜分离技术是一种新型的分离技术，经过几十年的发展，气体膜分离技术以高效节能，操作简单，绿色环保等特点越来越受到人们的重视。

目前工业上广泛使用的中空纤维气体分离膜的制备方法是相转变法。不同的生产厂商制备中空纤维膜的生产工艺属于技术秘密。从公开发表文献中可以看到中空纤维膜的制备方法是分段式(图2所示)的，具体的工艺流程如下：

第一阶段：将25％～40％的高分子材料，35％～60％的混合溶剂，0～5％的无机盐加入到配料罐中，在50～100℃条件搅拌48小时以上，形成均匀的高分子溶液。溶液经过48小时以上的真空脱泡和熟化，形成膜液。膜液和内凝胶剂通过多孔喷板后，进入第一外凝胶浴，通常为水，发生相转变过程，形成初生态中空纤维膜丝，膜丝收集成轮。

第二阶段：膜丝收集成轮后，浸泡在水槽中，用于溶剂交换5天～10天，然后将膜丝放到烘箱中，进行干燥定型。

第三阶段：膜丝的涂层。利用相转变法制备的中空纤维膜丝的表面存在少量的“缺陷”，需要利用表面涂敷技术，对膜丝表面的“缺陷”进行修补。

涂层过程将几万根和几十万根膜丝集束在一起形成膜芯，放在涂层管，涂层溶液由进料口进入涂层管，膜芯中的每一根膜丝都要浸泡在涂层液中，完成进行涂层工艺，如图3所示。在涂层管中涂层液先与膜芯外侧的膜丝接触，涂层液逐渐渗透到膜芯内部，膜芯内部的膜丝才能与涂层液接触，完成膜丝的涂层。这种涂层方法的缺点是膜丝涂层过程不均匀。

第四部分：涂层材料的固化。将涂层后的膜丝放在烘箱中进行硅橡胶的固化。将几万根和几十万根膜丝的膜芯放到烘箱中进行固化，如图4所示，处于膜芯外侧的膜丝的受热情况和处于膜芯内部的膜丝的受热情况不同，这种固化方法造成处于膜芯不同位置的膜丝受热情况不同，进而导致膜组件性能不稳定。

经过上面4个阶段，中空纤维膜丝制备完成。采用分段式膜丝制备工艺制备中空纤维膜丝，由于每个制备工艺独立，导致膜丝制备周期长，每个制备阶段的连接需要通过手工过程完成，而且在涂层过程和固化过程存在不均匀性，直接影响膜组件的性能稳定性。

发明内容

基于以上背景技术，本发明提出一种新型的中空纤维膜的制备装置和方法，利用一步法制备中空纤维膜丝，有效地将膜丝的纺丝工艺、干燥工艺、涂层工艺和固化工艺连接起来，减少膜丝制备周期，减少人工操作环节，最主要的是能够提高膜丝涂层过程和固化过程的均匀性和稳定性,进而提高膜组件性能。在一体化中空纤维膜丝制备过程的涂层过程中膜丝是以单根膜丝的形式接触涂层液，保证涂层液能够均匀涂覆在膜丝表面；同时在固化过程中是以单根膜丝的形式进入到固化箱中，保证膜丝固化的均匀性和稳定性，进而提高膜组件的性能。

具体采取如下技术方案：

本发明一方面提供一种中空纤维气体分离膜制备装置，所述装置依次包括多孔喷板、第一外凝胶槽、第二外凝胶槽、置换槽，第一张力控制器、第一烘箱，涂层槽、第二张力控制器、第二烘箱、固化箱、第三张力控制器及膜丝收集轮。所述第一凝胶槽、第二凝胶槽和置换槽设置有主动轮，所述主动轮用于牵引凝胶槽和置换槽内形成的膜丝，所述第一烘箱、涂层管、第二烘箱和固化箱中设有导轮，所述第一烘箱和涂层管导轮的速度受第一张力控制器的控制，所述第二烘箱和固化箱导轮的速度受第二张力控制器控制，所述膜丝收集轮速度受第三张力控制器的控制。