PTFE膜的膜组件设计对去除氨氮传质性能的影响

浙江理工大学学报(自然科学版)，第33卷，第3期，2015年5月JournalofZhejiangSci—TechUniversity(NaturalSciences)Vo1．33，No．3，May2015文章编号：1673—3851(2015)03—0326—05PTFE膜的膜组件设计对去除氨氮传质性能的影响代百会，唐红艳，郭玉海，李玖明，蔡浩鹏(浙江理工大学，a．纤维材料和加工技术浙江省重点实验室，b．纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室，杭州310018)摘要：采用“挤出拉伸一烧结”法制备聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜，并用膜吸收法去除废水中的氮氨。主要研究PTFE中空纤维膜的膜组件设计(装填密度、膜丝长度、放置方式、运行方式)对去除氨氮过程中传质性能的影响。结果表明：存在一个最佳的装填密度使氨氮传质系数最大，同时又有很高的脱除率；膜组件的有效长度越长，氨氮传质系数越小，脱除率越大；膜组件的放置方式对氨氮传质基本无影响，料液走壳程优于料液走管程。关键词：PTFE中空纤维膜；传质系数；脱除率；装填密度；废水；氨氮中图分类号：TQO28．8文献标志码：A0引言氨氮是常见的水体污染物，其主要来源有焦化废水、化肥废水、化工废水和垃圾渗滤液。氨氮排入水体会引起水体富营养化，对人类健康和生态环境都会造成极大危害l_1]。目前去除水中氨氮的主要方法有：吹脱法、生物脱氮法、化学氧化法和膜分离I3j。在膜分离方法中，膜吸收法去除氨氮是主要方法之一。1984年，Qi等首次提出膜吸收的概念，膜吸收是膜技术与气体吸收技术相结合的新型膜过程，特别适宜分离和浓缩溶液中的挥发性物质l_6{]，具有能耗低、占地面积小、处理效果好、无二次污染等特点。膜材料的研发及膜组件的设计是膜分离技术的两个研究重点。目前大量研究的膜材料主要包括聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)_3等。由于PTFE中空纤维膜丝孔隙率高，具有耐酸碱、强疏水性(与水接触角达128。)等优势，常作为膜吸收材料来研究。获得尽可能大的通量和减少膜污染是膜应用过程中的目标l_g]，而膜组件是承载反应进行的重要组成部分，所以合理的膜组件设计在实际运用中的作用不可忽视。膜组件可以从装填密度、组件尺寸、流态选择(如通过改变放置和运行方式改变液体流态)等几个方面进行优化设计¨9]，从而更好地发挥膜法具有的传质比表面积大的优势。PTFE中空纤维膜长期被日本住友、美国戈尔等公司垄断，价格昂贵。近年来，本研究团队发明了“挤拉伸一烧结”法【1()]加工PTFE中窄纤维膜l_l¨。本文将制备的PTFE中空纤维膜用于膜吸收法去除废水中氨氮。以氨水为料液、硫酸为吸收液，探讨PTFE中空纤维膜的膜组件设计(装填密度、膜丝长度、放置方式、运行方式)对去除氨氮过程中传质性能的影响。1实验部分1．1实验原料相对分子质量700万的分散聚合PTFE树脂(浙江巨化集团公司)；IsoparM(美国埃克森美孚公收稿日期：2014一O8—2O基金项目：国家科技支撑计划(2013BAC01B01)；浙江省重大科技专项重大社会发展项目(2013C01055)；浙江省高校重中之重学科开放基金；浙江省新苗人才计划项目(2013R4o6o31)作者简介：代百会(1989)，女，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事聚四氟乙烯中空纤维膜用于脱除废水氨氮方面的研究。通信作者：唐红艳，E—mail：hytang@zstu．edu．cn第3期代百会等：PTFE膜的膜组件设计对去除氨氮传质性能的影响司)；浓氨水(分析纯，杭州高晶精细化工有限公司)；浓硫酸(分析纯，浙江三鹰化学试剂有限公司)。1_2PTFE中空纤维膜的制备PTFE中空纤维膜制备工艺流程为：PTFE树脂+润滑剂的混合一熟化一糊料挤出一中空管一脱脂一牵伸烧结口。固定拉伸阶段的拉伸比为220％(见表1)，调整挤出头尺寸(控制压缩比为350，见图1和表1)制备出壁厚均匀、孔径分布均匀的PTFE中空纤维膜A，浇铸成膜组件(编号为P—l，P-2，P一3，P-4，P-5，P-6，P-7，P一8)，见表2。表1挤出头参数图1推压机和挤出头示意图内径／mm外径／ram膜丝壁厚／mm泡点／MPa装填密度／％有效长度／cm有效膜面积／(Jo·m)0．632．513．776．2812．561．362．043．O2挤出头参数中压缩比的计算：』2一A2压缩比===—(1)“3Ⅱ4拉伸比的计算：拉伸比一(拉伸后中空纤维的长度一拉伸前中空纤维的长度)／拉伸前中空纤维的长度×100(2)1．3结构和性能表征通过场发射扫描电镜(FESEM)(EVOMA25，德国卡尔蔡司公司)观察PTFE中空纤维膜的微观形貌；通过压汞仪(AutoPore9500，麦克默瑞提克上海仪器有限公司)测试PTFE中空纤维膜