一步成型的中空纤维纳滤膜丝及其制备方法与流程

本发明涉及中空纤维纳滤膜领域，特别涉及一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝及其制备方法。

背景技术：

纳滤膜(nanofiltrationmembranes)是80年代末期问世的一种新型分离膜，其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，约为200-2000。目前，陶氏、通用电气等多家公司的卷式纳滤膜在市场上占据主导地位，这些膜均为复合膜，采用界面聚合及缩合法，其制备方法是在薄膜聚酰亚胺微孔基膜表面复合一层具有纳米级孔径的超薄分离层(tfc)制成。

然而，界面聚合及缩合法它们有许多不足之处，如成本高、耐污染性低、对于氧化剂/自由氯的耐受度低，以及清洁方法有限。主要缺点之一是tfc膜具有非常高的受污染倾向，首先，负电荷相对较少的表面和粗糙的表面，有机化合物有可能因为化学或物理的反应附着或滞留在膜表面。其次，tfc复合膜具有低耐氯性。通常，其自由氯的耐受性低于500ppmh，并且膜在自由氯含量超过0.5ppm的溶液中无法保持完整。因此，复合纳滤膜在诸多应用中受到复杂的预处理措施的限制。最后但并非最不重要的一点，由于tfc功能层与支撑层之间的松散亲和力，tfc膜不可进行反洗。

中国专利cn110141980a提供一种内压式中空纤维纳滤膜及其制备，其是通过在非溶剂致相分离过程中，制膜液体系中的聚乙烯醇的亲水基团和芯液中的亲水基团相互作用，聚乙烯醇分子链自主迁移膜表面和芯液中的戊二醛在草酸的催化作用下发生交联作用。然而该方案是采用大分子量的聚乙烯醇进行羟醛缩合反应，会在基膜表面形成较厚的功能选择层，从而导致膜的通量较低，聚乙烯醇与聚醚砜形成嵌入式结构也导致膜丝的机械强度有所降低，即其产生的膜丝通量低和机械强度差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基膜的相分离和纳滤功能层的界面聚合反应同步进行的中空纤维纳滤膜及其制备方法，且该中空纤维纳滤膜解决膜表面抗污染性底，孔径大的问题。

为实现以上目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝，制膜体系包括铸膜料液和芯液；

铸膜料液是由亲水性高分子、溶剂和料液助剂混合溶解后经真空脱泡处理制得，其中亲水性高分子选择为聚醚砜，聚砜和含磺酸基材料的组合，其中含磺酸基材料选择磺化聚砜，磺化聚醚砜的任一种，且该亲水性高分子至少包括含磺酸基材料，该亲水性高分子溶质的含量为5-30wt％，分子量介于500000-800000da，占配方的比例范围为15-35％。

其中溶剂选择为二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，n-甲基吡咯烷酮的至少其中一种。

料液助剂选择为聚酰胺，聚乙烯亚胺和聚酰亚胺的至少一种，分子量在6000-10000道尔顿。

芯液是由溶剂、非溶剂和芯液助剂混合溶解制备得到，其中溶剂包括二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，n-甲基吡咯烷酮的其中一种，非溶剂包括水，乙醇的其中一种，芯液助剂包括乙二醇，戊二醛的至少其中一种。

一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝的制备方法，包括以下步骤：

铸膜料液和芯液分别通过齿轮泵由铸膜液通道和芯液通道注入一个喷丝头，并经由所述喷丝头的铸膜液口和芯液口挤出中空管状液膜，然后，所述中空管状液膜经过空气间隙后先后通过两个凝固浴池后缠绕在绕丝轮，相变形成中空纤维膜丝，对所述中空纤维膜丝依次经过水，甘油的浸泡，而后在空气中晾干。

其中铸膜料液的制备如下：将亲水性高分子，溶剂和料液助剂置于溶解釜中，于温度40-60℃，转速为100r/min条件下，搅拌溶解24-48小时，降温至20-30℃后，于压力为-0.09—-0.08mpa条件下，真空脱泡8-12h后，得到铸膜料液。

其中芯液的制备：将溶剂、非溶剂和助剂置于搅拌釜中，于转速100r/min条件下，搅拌混合4h，于压力为-0.05mpa条件下，真空脱泡2-4h后得到芯液。

铸膜料液包括以下重量份数的原料：20-35份亲水性高分子，40-60份溶剂，12-24份非溶剂和0.5-10份聚多胺。

芯液包括以下重量份数的原料：10-20份与料液对应的溶剂，75-85份非溶剂和1-5份芯液助剂。

其中空气间隙控制在0.5-50cm，可以是1、2、5、10、12cm等距离参数。

在相分离的过程中亲水性的聚乙烯亚胺亲水基团会自动迁移到膜表面，与芯液中的戊二醛或乙二醇在相分离过程中发生同步界面聚合反应，以形成负电选择层，基膜的非溶剂相分离过程和纳滤选择层的界面聚合反应同步进行，通过纺丝速度和芯液温度控制，无需后交联步骤，一步成型获得内压式中空纤维纳滤膜。

界面聚合反应程度可以通过料液中的聚乙烯亚胺，聚酰胺等，芯液中的戊二醛，乙二醇的浓度，料液和芯液的温度，以及纺丝速度来进行控制。

根据本发明，提供一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝，该中空纤维纳滤膜丝由一步成型得到，膜表面为聚乙烯亚胺亲水基团与戊二醛或乙二醇聚合反应得到的负电选择层，孔径为500-1000，厚度为5-10μm。

相较现有技术，本技术方案具有以下的特点和有益效果：提供一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝及其制备方法，解决纳滤膜制备过程工艺繁琐，涂敷层厚度或交联反应程度难以控制的问题，在纺丝过程中亲水性的聚乙烯亚胺亲水基团会自动迁移到膜表面，与芯液中的戊二醛或乙二醇在相分离过程中发生同步交联反应，基膜的非溶剂相分离过程和纳滤选择层的交联反应同步进行，通过纺丝速度和芯液温度控制，无需后交联步骤，一步成型获得内压式中空纤维纳滤膜，且表面发生胺基缩合，形成超薄负电选择层，即表面负电荷较多，以达到很好的抗污性，另表面聚合物之间相互覆盖，使得该中空纤维纳滤膜丝的孔径小，通量和小分子有机物的截留都很高。膜丝的结构完整，机械强度高，该膜丝性能稳定，耐污染能力强，耐氯，其孔径小。

另，该中空纤维膜组件可实现较高的填装面积，可达到卷式膜组件的2-3倍，处理能力会实现很大的提高。另外，该膜丝在2-5bar压力下就能达到很好的二价盐截留效果，其进膜压力要求远低于市面上现有的卷式纳滤膜。本发明的配方简单，材料和生产成本低，工艺操作简单，易于大规模生产，是一种可应用在生活，环保及化工等领域的中空纤维低压纳滤膜。

附图说明

图1和图2是根据本发明的一实施例的一步成型的中空纤维纳滤膜丝的微观结构示意图。

图3是表面反应的化学方程式。

图4是根据本发明的一实施例的纳滤膜测试设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

本方案制备得到的一步成型的中空纤维纳滤膜丝的结构如图1和图2所示，该中空纤维纳滤膜丝由一步成型得到，膜内表面为聚乙烯亚胺亲水基团与戊二醛或乙二醇交联反应得到的超薄的负电致密选择层，负电致密选择层厚度在5-10μm，孔径500-1000da，膜丝总厚度0.3mm，在致密选择层后是海绵状疏松结构，使过滤水迅速通过，增加膜的通量。

制备实施例1：

本方案以以下的参数制备得到一步成型的中空纤维纳滤膜丝。

制膜案例一：

一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝，制膜体系包括料液和芯液。

料液是由亲水性高分子，溶剂，非溶剂和料液助剂混合溶解后经真空脱泡处理制得。

芯液由相对应的溶剂，非溶剂和芯液助剂混合溶解后制得。亲水性高分子是聚醚砜和磺化聚醚砜。溶剂是二甲基乙酰胺，非溶剂是聚乙二醇400，料液助剂是聚乙烯亚胺，芯液助剂是戊二醛。

按重量比例，依次取25份亲水性高分子，18.5份非溶剂，54.5份溶剂和2份料液助剂于反应釜内于温度50摄氏度下搅拌溶解，24小时后，真空脱泡12小时，得到均相料液；

按重量比例，依次取20份溶剂，20份非溶剂，59份水和1份芯液助剂于反应釜内于常温下搅拌溶解4小时后，得到芯液；

料液和芯液分别通过齿轮泵由铸膜液通道和芯液通道注入一个喷丝头，并经由所述喷丝头的铸膜液口和芯液口挤出中空管状液膜。然后，所述液膜经过10cm的空气间隙后先后通过两个凝固浴池后缠绕在绕丝轮，相变形成中空纤维纳滤膜丝，经后处理后，中空纤维纳滤膜丝的内外径为0.6/1.2mm。

制膜案例二

一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝，制膜体系包括料液和芯液。

料液是由亲水性高分子，溶剂，非溶剂和料液助剂混合溶解后经真空脱泡处理制得。

芯液由相对应的溶剂，非溶剂和芯液助剂混合溶解后制得。

亲水性高分子是聚醚砜和磺化聚醚砜。溶剂是n-甲基吡咯烷酮，非溶剂是聚乙二醇400，料液助剂是聚乙烯亚胺，芯液助剂是戊二醛。

按重量比例，依次取22.5份聚合物，21份非溶剂，54.5份溶剂和2份料液助剂于反应釜内于温度50摄氏度下搅拌溶解，24小时后，真空脱泡12小时，得到均相料液。

按重量比例，依次取30份溶剂，30份非溶剂，38份水和2份芯液助剂于反应釜内于常温下搅拌溶解4小时后，得到芯液。

料液和芯液分别通过齿轮泵由铸膜液通道和芯液通道注入一个喷丝头，并经由所述喷丝头的铸膜液口和芯液口挤出中空管状液膜。然后，所述液膜经过10cm的空气间隙后先后通过两个凝固浴池后缠绕在绕丝轮，相变形成中空纤维纳滤膜丝。经后处理后，中空纤维纳滤膜丝的内外径为0.6/1.2mm。

制膜案例三

一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝，制膜体系包括料液和芯液。

料液是由亲水性高分子，溶剂，非溶剂和料液助剂混合溶解后经真空脱泡处理制得。芯液由相对应的溶剂，非溶剂和芯液助剂混合溶解后制得。

亲水性高分子是聚醚砜和磺化聚醚砜。溶剂是n-甲基吡咯烷酮，非溶剂是聚乙二醇400，料液助剂是聚乙烯亚胺，芯液助剂是戊二醛。

按重量比例，依次取24份亲水性高分子，18.5份非溶剂，54.5份溶剂和3份料液助剂于反应釜内于温度50摄氏度下搅拌溶解，24小时后，真空脱泡12小时，得到均相料液。

按重量比例，依次取25份溶剂，25分非溶剂，48份水和2份芯液助剂于反应釜内于常温下搅拌溶解4小时后，得到芯液。

料液和芯液分别通过齿轮泵由铸膜液通道和芯液通道注入一个喷丝头，并经由所述喷丝头的铸膜液口和芯液口挤出中空管状液膜。然后，所述液膜经过10cm的空气间隙后先后通过两个凝固浴池后缠绕在绕丝轮，相变形成中空纤维纳滤膜丝。经后处理后，中空纤维纳滤膜丝的内外径为0.6/1.2mm。

制膜案例四

一种一步成型的中空纤维纳滤膜丝，制膜体系包括料液和芯液。

料液是由亲水性高分子，溶剂，非溶剂和料液助剂混合溶解后经真空脱泡处理制得。芯液由相对应的溶剂，非溶剂和芯液助剂混合溶解后制得。

亲水性高费脑子是聚醚砜和磺化聚醚砜。溶剂是二甲基乙酰胺，非溶剂是聚乙二醇400，料液助剂是聚乙烯亚胺，芯液助剂是戊二醛。

按重量比例，依次取28份聚合物，18.5份非溶剂，51份溶剂和2.5份料液助剂于反应釜内于温度50摄氏度下搅拌溶解，24小时后，真空脱泡12小时，得到均相料液。

按重量比例，依次取20份溶剂，20分非溶剂，58.5份水和1.5份芯液助剂于反应釜内于常温下搅拌溶解4小时后，得到芯液。

料液和芯液分别通过齿轮泵由铸膜液通道和芯液通道注入一个喷丝头，并经由所述喷丝头的铸膜液口和芯液口挤出中空管状液膜。然后，所述液膜经过10cm的空气间隙后先后通过两个凝固浴池后缠绕在绕丝轮，相变形成中空纤维纳滤膜丝。经后处理后，中空纤维纳滤膜丝的内外径为0.6/1.2mm。

截留率测试的方法：

另外，本方案在纳滤膜测试设备上检测一步成型的中空纤维纳滤膜丝的性能，纳滤膜测试设备的结构如图3所示，由一步成型的中空纤维纳滤膜丝制备得到膜组件的直径为15-100mm，长度是200-400mm，有效膜面积为0.09-2.5m2膜内表面为聚乙烯亚胺亲水基团与戊二醛或乙二醇交联反应得到的超薄的负电致密选择层，原溶液在2-5bar的进膜压力下循环即可通过膜组件的内腔侧，产水从膜组件的外腔侧流出。

首先以去离子水为原水溶液，得到内压式复合中空纤维纳滤膜的纯净水渗透率pwp:

其中f为渗透通量(l/m²h)，δp是跨膜压降(bar)，q是体积渗透流量(l/h)，a是有效膜过滤面积(m²)。

在去离子水冲洗约1小时后，膜通量达到恒定，用各种原水溶液对中空纤维纳滤膜进行过滤测试，包括中性溶质，无机盐或盐混合物的进料溶液来估计孔径，表征电荷性质并评估水硬度的去除率。相应地测量每种原水溶液的通量和截留率。根据以下公式计算溶质截留率r(％)：

其中cp为产水侧溶质浓度，cf为进水侧溶质浓度。

纳滤膜性能测试一，以制膜案例一得到的中空纤维纳滤膜丝进行测试：

纳滤膜的孔径表征是用mwco测试方法来测试的。配制1000ppmpeg溶液，分子量分布从1000到10000。测试压力1bar，测试温度25摄氏度，在上述测试设备上运行本发明的中空纤维低压纳滤膜1小时，通过凝胶渗透色谱法(gpc)对原溶液和滤液中的peg进行分子量分布测试。中空纤维纳滤膜的孔径就以截

留率在90％的peg分子量来定义。下表一即为制膜案例一的中空纤维纳滤膜的孔径，纯水通量和截留分子量的测试结果：其膜丝的内外径是0.6/1.2mm，纯水通量在1bar压力下为42lmh，膜孔径为550da，硫酸镁的截留率能达到90.1％.纯水通量在1bar压力下为42lmh，膜孔径为550da，硫酸镁的截留率能达到90.1％。

表一

纳滤膜性能测试二

纳滤膜的孔径表征是用mwco测试方法来测试的。配制1000ppmpeg溶液，分子量分布从1000到10000。测试压力1bar，测试温度25摄氏度，在上述测试设备上运行本发明的中空纤维低压纳滤膜1小时，通过凝胶渗透色谱法(gpc)对原溶液和滤液中的peg进行分子量分布测试。中空纤维纳滤膜的孔径就以截留率在90％的peg分子量来定义。下表二即为制膜案例二的中空纤维纳滤膜的孔径，纯水通量和截留分子量的测试结果。

表二

纳滤膜性能测试三

纳滤膜的孔径表征是用mwco测试方法来测试的。配制1000ppmpeg溶液，分子量分布从1000到10000。测试压力1bar，测试温度25摄氏度，在上述测试设备上运行本发明的中空纤维低压纳滤膜1小时，通过凝胶渗透色谱法(gpc)对原溶液和滤液中的peg进行分子量分布测试。中空纤维纳滤膜的孔径就以截留率在90％的peg分子量来定义。下表三即为制膜案例三的中空纤维纳滤膜的孔径，纯水通量和截留分子量的测试结果。

表三

纳滤膜性能测试四

纳滤膜的孔径表征是用mwco测试方法来测试的。配制1000ppmpeg溶液，分子量分布从1000到10000。测试压力1bar，测试温度25℃，在上述测试设备上运行本发明的中空纤维低压纳滤膜1小时，通过凝胶渗透色谱法(gpc)对原溶液和滤液中的peg进行分子量分布测试。中空纤维纳滤膜的孔径就以截留率在90％的peg分子量来定义。下表四即为制膜案例四的中空纤维纳滤膜的孔径，纯水通量和截留分子量的测试结果。

表四

印染废水测试实验

用案例一到案例四所制备的内压式中空纤维纳滤膜制备成膜组件。配制200ppm和1000ppm的印染废水标液，测试压力2-5bar，测试温度25摄氏度。在测试设备上运行本发明的中空纤维低压纳滤膜，其结果如下表五：

表五

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。