碳中空纤维膜的研究现状及发展趋势_杜启云

碳中空纤维膜的研究现状及发展趋势杜启云,程博闻,崔永芳,刘恩华,李树锋,范云双(天津纺织工学院膜天膜技术工程公司,天津300160)摘要:综述碳中空纤维膜的研究现状和发展趋势,具体介绍这种纺织新材料的基膜制备、预氧化和碳化技术及其应用领域.关键词:中空纤维;膜分离;碳化中图分类号:TS102.528.1文献标识码:A文章编号:1000-1557(2000)02-0079-05StatusquoandfuturetrendonthecarbonizedhollowfibermembranesDUQi-yun,CHENGBo-wen,CUIYong-fang,LIUEn-hua,LIShu-feng,FANYun-shuang(CompanyofMotianMembraneTechnologyandEngineering,TianjinInstituteofTextileScienceandTechnology,Tianjin300160)Abstract:Thispaperreviewsthepresentresearchstatusanddevelopmenttrendofthecarbonizedhollowfibermembranes,introducesparticularlythepreperationofbasedmembrane,thepreoxidationandcarbonizedtechnologyandapplicationfields.Keywords:hollowfiber;membraneseparation;carbonized膜分离技术是一项新兴的高效无污染净化分离技术.自从200年前AbbleNelkt发现水能透过猪膀胱扩散到酒精溶液中而首次揭示了膜分离现象以来[1,2],特别是近几十年来,膜分离技术作为一高新技术得到了迅速的发展.其发展历史大致为:30年代发展微孔过滤技术;40年代发展透析技术;50年代发展电渗析技术;60年代发展反渗透技术;70年代发展超滤和液膜技术;80年代发展气体分离技术;90年代发展渗透蒸发技术[3].膜按形态分为平板膜、管式膜、卷式膜和中空纤维膜[1].其中,中空纤维膜由于有单位体积装填密度大、不用任何支撑体、加工方便、设备小型化、结构简单等优点,使其用途愈来愈加广泛.随着膜技术及其应用的进一步发展,人们对膜使用条件提出了愈来愈高的要求,比如要求膜材料热稳定性好,在高温下可以使用;化学稳定性好,耐有机溶剂、耐酸、碱及耐微生物侵蚀能力强.有些要求显然是高分子膜材料所无法满足的[4].因此,研究和开发耐高温的碳中空纤维膜日益受到人们的重视.与聚合物膜相比,碳中空纤维膜具有化学稳定性好、可在高温下使用的优点[5～6],而且可以根据中空纤维碳化的程度来控制碳中空纤维的性能.它的性能介于无机膜和有机膜之间,可以满足有些特别苛刻的使用要求,能用于高温气体分离、有机溶剂分离、酸碱物质分离等领域.国外对碳中空纤维的开发研究及应用已经发展到了较高的水平,国内研究工作也已起步.本文综述这一发展现状,就碳中空纤维基膜的制备、预氧化和碳化工艺及其应用进行系统的介绍.1碳中空纤维基膜的制备碳中空纤维的制造目前不能直接从元素碳按照一般的合成方法来制造,人们只能利用纤维素纤维、聚乙烯(PE)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维等各种有机高分子纤维和沥青纤维,经过预氧化、碳化等工艺间接制造出有一定性能的碳纤维[7].但如今具有工业意义的原纤仅有聚丙烯腈纤维、沥青纤维第20卷第2期天津纺织工学院学报JOURNALOFTIANJININSTITUTEOFTEXTILESCIENCEANDTECHNOLOGYVol.19No.2收稿日期:1999-12-07作者简介:杜启云(1940-),男,北京市人,教授,博士生导师.基金项目:天津市重点自然科学基金项目(993803611).和纤维素纤维三大纤维.用纤维素纤维制取碳纤维的碳化收率低,技术难度大,设备复杂,成本较高;用沥青制取碳纤维,原料来源丰富,碳化收率高,属正在开发的新工艺;由聚丙烯腈纤维能制取高性能的碳纤维[8],其生产工艺较其它方法简单,产品的力学性能良好.由此可见,要制取碳中空纤维膜必须在制取中空纤维基膜的基础上,再经过预氧化、碳化等工艺才能得到.目前,能纺成中空纤维的有机高分子材料主要有纤维素和聚丙烯腈.1.1纤维素中空纤维膜的制造纤维素衍生物中空纤维广泛用于制作超滤膜和反渗透膜[9],在膜分离工业上已实现大规模的生产.纤维素中空纤维膜由于其材料对人体无害、血液相容性好等优点,使其能在医疗卫生方面大量用作人工肾和血浆分离器[10～12].纤维素中空纤维的生产方法有粘胶法、铜氨法和新溶剂法.粘胶法是首先将纤维素同碱进行反应得到碱