聚偏氟乙烯中空纤维膜的研制_李健生

①聚偏氟乙烯中空纤维膜的研制李健生1,王连军1,赵宝昌1,翁霁2(1.南京理工大学化工学院,江苏南京210094;2.华北工学院化学工程系,山西太原030051)摘要:本文选用聚偏氟乙烯作为膜材料,二甲基甲酰胺为溶剂,聚乙二醇为添加剂,采用湿法纺丝成膜,对影响膜性能的诸因素进行了讨论,用所制的中空纤维膜组件对TNT废水进行了膜萃取实验。用回归正交实验设计确定的最佳配方为:聚偏氟乙烯浓度22.14%,聚乙二醇浓度6.26%,二甲基甲酰胺71.60%,纺丝温度54.84℃。该最优组合膜的萃取速率为1.898mg/m2·s。关键词:PVDF;微孔膜;膜萃取中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1000-3770(2001)01-0012-04聚偏氟乙烯(PVDF)是性能优良的高分子材料,由于其良好的耐溶剂性和疏水性,近年来在膜分离技术中逐渐受到人们重视[1,2]。由于PVDF具有在有机溶剂中的可溶性及在熔融点时的粘度亦较低等优点,它易溶于丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)等溶剂中,故可以采用湿法纺丝成膜。而且PVDF具有较高的化学稳定性,在盐酸、硝酸、硫酸和稀、浓(40%)碱液中以及在高达100℃的温度下,其性能基本不变[3]。聚偏氟乙烯膜的研制不但为微孔膜系列中增加了新的品种,同时可以满足某些特殊膜过程的需要。比如,在膜萃取过程中,疏水性聚偏氟乙烯膜对于防止水相进入膜孔中,以水相传质阻力为主的液-液萃取体系具有很大的意义[4]。本文应用回归正交实验制备适合膜萃取过程的中空纤维聚偏氟乙烯微孔膜,对所制备的膜的微观结构用电镜进行了分析,并讨论了制备PVDF膜的各种影响因素。1实验1.1原料及仪器聚偏氟乙烯(PVDF):上海有机氟材料研究所;聚乙二醇(PEG):分子量6000,天津天泰精细化学品有限公司;二甲基甲酰胺(DMF):北京新光化学试剂厂。电子显微镜:日本日立S-503;752型紫外光栅分光光度仪:上海第三分析仪器厂;孔径测量装置:组装;膜萃取实验装置:组装;纺丝机:自制。1.2膜的制备按照一定的配方将PVDF和聚乙二醇溶于二甲基甲酰胺中,经静置脱泡,制膜液经过滤后,由计量泵注入喷丝头,在芯液的作用下,经喷丝头挤出的中空纤维在凝胶浴中固化成型,经适当的后处理使膜孔径固定,将所制的中空纤维制成组件备用。1.3膜性能测试衡量中空纤维微孔膜的指标主要有平均孔径和孔隙率。本文采用泡压法进行膜孔径的测定[3],对于孔隙率则采用称重法测定。1.4膜萃取实验在相同的操作条件下,对不同配方的中空纤维膜组件进行萃取实验,通过分光光度计来测定废水中TNT的浓度得出萃取率。2结果与讨论2.1回归正交实验结果在中空纤维膜的制备过程中,纺丝液的组成、纺丝液温度、喷丝速度、凝固浴的组成和温度、卷绕速度等均对膜性能有所影响。在诸多影响因素中,重点考查聚合物浓度、添加剂浓度、纺丝液温度对膜性能第27卷第1期2001年2月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.27No.1Feb.,2001①收稿日期:1999-11-19DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2001.01.004影响。在初步实验的基础上,选择三因素的变化范围;聚偏氟乙烯浓度为19.57%～24.43%,聚乙二醇浓度为2.57%～7.43%、纺丝液温度为48.925～61.075℃,分别用X1,X2,X3表示。采用三因子的二次回归正交设计[5,6],根据实验方案中确定的纺丝液的组成和纺丝温度,并控制其它因素:凝胶浴温度15℃,相对湿度RH=50%。喷丝速度、卷绕速度一定。按湿法纺丝制成中空纤维膜,进行适当的后处理后制成中空纤维组件,再进行连续萃取实验。其结构矩阵及实验结果见表1。表1三因子的二次回归正交设计的结构矩阵X(m0=1)及实验结果编号X0X1X2X3X1X2X1X3X2X3X,1X,2X,3萃取速率(mg/m2s)111111110.270.270.271.2422111-11-1-10.270.270.271.299311-11-11-10.270.270.270.956411-1-1-1-110.270.270.270.84851-111-1-110.270.270.271.24961-11-1-11-10.270.270.271.21071-1-111-1-10.270.270.270.90881-1-1-11110.270.270.270.918911.215000000.746-0.73-0.730.913101-1.215000000.746-0.73-0.731.27411101.2150000-0.730.746-0.731.2131210-1.2150000-0.730.746-0.7