一种高通量聚醚砜中空纤维超滤膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种聚合物超滤膜的制备方法，具体地说是提供一种制备具有高通量聚醚砜中空纤维超滤膜的工艺方法。本发明是采用聚醚砜?溶剂?非溶剂?盐?表面活性剂五元体系配制的制膜液和干喷?湿纺法纺丝技术两个过程,以及使超滤膜在干燥状态下保存所进行的后处理工艺。利用本发明技术可以制备出具有高纯水渗透性的聚醚砜中空纤维超滤膜。所制备的中空纤维超滤膜可广泛应用于海水淡化反渗透系统的前级预处理，城市污水回收，自来水、地下水除菌除浊净化，餐饮行业自来水净化，中空纤维纳滤膜的基膜等领域，具有广泛工业应用前景。
【专利说明】
一种高通量聚醚砜中空纤维超滤膜的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种聚合物超滤膜的制备方法，具体地说是提供一种制备具有高通量 聚醚砜中空纤维超滤膜的工艺方法。
【背景技术】
[0002] 海水淡化作为解决水资源危的重要途径，正日益显示出独特的优势和良好的前 景。采用双膜法进行海水淡化，即用超滤替代传统的絮凝、机械过滤、精滤工艺作为反渗透 的预处理系统，大大减少了设备占地面积，产水水质高并且水质稳定，可以延长反透系统的 寿命，且系统自动化控制程度高，可以降低劳动强度和劳动成本并降低运行费用，是新一代 的反渗透预处理系统。中空纤维超滤器具有装填密度大，生产能力高;可反冲洗;易于加工、 安装和维护管理等优点，成为最广泛采用的一种超滤器，而中空纤维超滤膜的研制是其核 心问题。中空纤维非对称膜通常是采用非溶剂相分离法(NIPS)工艺制备的，基于聚合物溶 液在非溶剂作用下发生相转化的过程。由于中空纤维膜的成形是靠自身的粘度自我支撑， 因而使纺丝膜液的粘度下限受到很大限制，而且在相转化过程中，膜的内外表面都发生溶 剂与非溶剂的交换，并相互作用而影响膜的最终结构。膜结构主要取决于两方面效应:1)制 膜溶液和非溶剂体系的平衡热力学性质；2)在膜形成过程中溶剂和非溶剂交换速率对相转 化成膜过程动力学的影响。在实际膜的制备过程中则主要为选配适当的中空纤维超滤膜的 制膜液体系及膜制备过程采用的工艺条件。以往文献报导制备中空纤维超滤膜的制膜浆液 体系一般为三元或四元体系，最有代表性的如日本专利JP Patent，58-156 018(日本旭化 成公司制造的聚砜中空纤维超滤膜)采用以聚砜-溶剂-电解质三元体系，黄征青采用以聚 醚砜-溶剂-水溶性聚合物三元体系，及中国专利CN201010278600采用聚醚砜-溶剂-极性小 分子成孔剂-无机盐或疏水氧化物类成孔剂四元体系。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种新的制备中空纤维超滤膜的方法，这种膜具有薄皮层及 尚孔容，即具有尚水渗透性能。
[0004] 本发明为制得高透水性能的中空纤维超滤膜，采用以聚醚砜-溶剂-非溶剂-盐-表 面活性剂五元体系所配成制膜液。由于非溶剂的加入接近制膜液体系的相分离点，使得制 膜液相转化过程快速发生，而且相转化时表层聚合物浓度较低，易于产生较薄和高孔容的 膜皮层、即高水渗透性的非对称膜。另外，非溶剂，盐和表面活性剂的加入，使得制膜浆液粘 度提高，从而可配制较低聚合物含量的膜液，而又保证纺丝时必要的粘度要求，较易获得多 孔容的膜。并且由于加入表面活性剂，也改善了膜的亲水性和浸润角，从而提高水渗透性。
[0005] 所用聚醚砜的特性为：相对密度1.37-1.51，吸水性（23°C/24h)0.43,拉伸强度 84.3-124.5(23°C)，41.2-59.8(180°C)，伸长率40-80,弯曲强度 129.4-171.5MP，冲击强度 (缺口）78.4 ~85.3J/m，洛氏硬度R120-134;聚酿讽（PES)可米用 Amoco Performance Products Inc.的A-200产品；溶剂可采用N-甲基砒咯烷酮(NMP)，二甲基甲酰胺(DMF)或者 二甲基乙酰胺(DMAC);非溶剂为去离子水;盐可为硝酸锂，氯化锂或高氯酸镁;表面活性剂 可采用TritonX-100,吐温T-80或者其它乳化剂。上述五元体系的制膜液中，其重量百分比 为:聚醚砜:15~25 % ;溶剂:72~78 % ;非溶剂，盐和表面活性剂:3~7 % ;而非溶剂，盐和表 面活性剂又按重量百分比配制:非溶剂:90~95%;盐:4~8%;表面活性：1~2%。按上述比 例配制制膜浆液的具体过程为:取定量聚醚砜加入搅拌釜，再称取定量非溶剂(去离子水）， 盐和表面活性剂搅拌均匀后倒入定量的溶剂中，搅拌后倒入搅拌釜内将物料搅均，进行真 空脱泡，静止8小时以上制得制膜浆液。为保证制膜浆液各组份充分混均，在搅拌釜搅拌过 程中应保持恒温~30°C，以80~120转/分过程速度，搅拌24~36小时为宜。
[0006] 本发明的制备方法，除上述选择原料配制制膜浆液外，另一制备要点就是采用一 种适当的制膜工艺条件。本发明中膜的制备是采用干喷-湿纺法纺丝技术：即将上述步骤制 备的制膜浆液过滤后经喷丝模具纺丝，喷丝模具纺出的丝经凝固浴中凝固成型，制成聚醚 砜中空纤维膜超滤膜粗品。根据制膜液的不同配比，适当地调节纺丝操作条件:喷头温度， 内外凝介质和温度，喷头至凝固浴间距离，栗喂料，内凝供给和拉伸速度等，从而获得最佳 性能的中空纤维超滤膜。合适的工艺条件为:料液温度(喷头温度）：20~30°C;内外凝介质： 0~50%溶剂的水溶液；内外凝温度:20~30°C ;喷距凝溶距离:5~25mm。
[0007] 为使所得膜可以在干燥状态下保存，还必须对按上述条件制得超滤膜进行保护后 处理。本发明中采用的保护后处理是利用15~30%甘油和0.5~1.5%表面活性剂的水溶液 一次浸润纤维膜的方法。经这样处理后，制得中空纤维超滤膜在干燥保存过程中完全保持 其高渗透性能，并在组装中空纤维超滤器时，保证中空纤维丝与环氧树脂粘接材料良好粘 接性能。下面通过实例对本发明的制备工艺给予进一步说明。
[0008] 有益效果:经本发明方法所制备的产品具有较好的机械强度;具有高纯水渗透性； 可广泛应用于海水淡化反渗透系统的前级预处理，城市污水回收、自来水、地下水除菌净 化，餐饮行业自来水净化，中空纤维纳滤膜的基膜等领域，具有广泛工业应用前景。
【具体实施方式】：
[0009] 下面通过实例对本发明的制备工艺给予进一步说明。
[0010] 实施例1
[0011] 中空纤维滤膜的制备按下列重量百分比称取原料:PES，15-18%;匪P，75-78%; H20，LiN〇3 和 T-80，3-6 % 配制制膜浆液，其过程为：先按93-95 % H20，4-5 % LiN〇3，1-2 % T-80 的比例将其混合后加入NMP中搅拌均匀，倒入搅拌釜中与PES-起搅拌，放置12小时。搅拌温 度为30°C，速度为120转/分，配制好的制膜液压入料罐中进行真空脱泡。浆液从喷头环形空 隙喷出，温度控制在25°C，经过空气段10-20cm后，然后注入外凝浴凝固，再经水洗槽，卷绕 集束成丝。内凝液用栗注入初生态纤维中心以形成中空，内凝液为20-40 %NMP水溶液，外凝 为水，外凝温度为25°C，水洗槽温度为25°C。纺制成的中空纤维膜经保护液处理后即可在干 态时组装成中空纤维超滤器。
[0012] 实施例2
[0013]中空纤维滤膜的制备按下列重量百分比称取原料:PES，15-18%;匪P，75-78% ; H20，LiN03和T-80,3-6%配制制膜浆液，按实例1所述制备过程，只不过用LiCl代替LiN03， 其它条件同实例1相同制得中空纤维膜，纺制成的中空纤维膜经保护液处理后即可在干态 时组装成中空纤维超滤器。
[0014] 实施例3
[0015] 中空纤维滤膜性能试验。将上述实例1~2制得的中空纤维滤膜20根，装入(i>15X 250mm不锈钢管中，两端用环氧树脂粘接剂密封，组装成小型超滤器PES UFA和UFB，测定膜 的水渗透性能和截留率。中空纤维超滤膜的截留性能如表1，其水渗透性能如表2。作为对 比，一些典型的PES中空纤维超滤膜商品的性能也列入表1和2中。
[0016] 表1中空纤维滤膜的截留性能
[0018]表2中空纤维滤膜的水渗透性能
[0020] 表1、2结果表明，上述本发明制备的中空纤维滤膜具有较好的纯水渗透性能，膜的 切割分子量为67,000Da。利用扫描电镜进一步研究中空纤维滤膜的结构，其断面为双排指 状孔结构，内外均有致密皮层，测试爆破压力在>1. 〇MPa，具有较好的机械强度。
[0021] 从上述实例可以看到，利用本发明提供的五元体系所配成制膜液配方及制膜工艺 技术，可制备出切割分子量为67,000Da的聚醚砜中空纤维超滤膜，它们具有高纯水渗透性。 所制备的聚醚砜中空纤维超滤膜，可广泛应用于海水淡化反渗透系统的前级预处理，城市 污水回收，自来水、地下水除菌除浊净化，餐饮行业自来水净化，中空纤维纳滤膜的基膜等 领域，具有广泛工业应用前景。
[0022] 参考文献
[0023] [1]JP Patent,58-156 018
[0024]【2】黄征青，聚醚砜中空纤维超滤膜的研制，《膜科学与技术》.2000,第20卷（第4 期），第30-32页?
[0025] 【3】中国专利 CN201010278600.6,2010.09.08
[0026] 【4】Qin et al.，Dead_end ultrafiltration for pretreatment of R0 in reclamation of municipal wastewater effluent,J.Membr.Sci.243(2004)107.
[0027] 【5】Decarolis et al.,Fouling behaviour of a pilot scale inside-out hollow fiber UF membrane during dead-end filtration of tertiary wastewater, J.Membr.Sci.191(2001)165.
【主权项】
1. 一种高通量聚醚砜中空纤维超滤膜的制备方法，其特征在于，包括下述步骤： (1) 配制制膜液： 采用聚醚砜-溶剂-非溶剂-盐-表面活性剂五元体系配制成制膜液，其中聚醚砜的特性 为:相对密度1.37-1.51，吸水性0.43，拉伸强度84.3-124.5，41.2-59.8，伸长率40-80，弯曲 强度129.4-171.5MP，冲击强度78.4~85.3J/m，洛氏硬度R120-134;溶剂采用N-甲基砒咯烷 酮、二甲基甲酰胺或者二甲基乙酰胺;非溶剂为去离子水;盐为硝酸锂、氯化锂或高氯酸镁； 表面活性剂采用TritonX-IOO，吐温T-80或其它乳化剂； (2) 纺丝制膜过程:采用控制喷头温度实现控制制膜液温度：20~30°C;内外凝介质：0 ~50%溶剂的水溶液；内外凝温度:20~30°C ;喷头距外凝浴距离:5~25mm。2. 按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所采用的五体系制膜液配方的重量百 分比为：聚醚砜：15~25%，溶剂:72~78%，非溶剂、盐和表面活性剂：3~7%;其中，非溶 剂、盐和表面活性剂又按重量百分比配制为:非溶剂:90~95%，盐:4~8%，表面活性：1~ 2%〇3. 按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于，配制制膜浆液的具体过程为：取定量 聚醚砜加入搅拌釜，再称取定量非溶剂，盐和表面活性剂搅拌均匀后倒入定量的溶剂中，搅 拌后倒入搅拌釜内将物料搅均，进行真空脱泡，静止8小时以上制得制膜浆液;为保证制膜 浆液各组份充分混均，在搅拌釜搅拌过程中应保持恒温~30°C，以80~120转/分过程速度， 搅拌24~36小时。4. 按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所制得中空纤维超滤膜进行保护后 处理，即利用20~30%甘油和0.5~1.5%表面活性剂的水溶液浸润纤维膜的处理方法，使 超滤膜可在干燥状态下保存。
【文档编号】B01D71/68GK105879717SQ201610086323
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月15日
【发明人】王乐译, 秦建军, 高从堦, 王新艳
【申请人】山东招金膜天股份有限公司