聚砜中空纤维超滤膜的制备及应用

工程塑料应用2以犯年,第30卷,第8期聚矾中空纤维超滤膜的制备及应用王铮张惠新(天津工业大学膜科学与技术研究所,天津3仪)1印)摘要采用溶胶一凝胶一相转换的方法,将具有力学强度高、抗浦变性能强、时热性和化学德定性好的工程塑料—聚巩树脂,制成侧壁布满5一10nm徽孑L,外径1~左右,内径0.7~左右的阅中空纤维,即聚砚中空纤维超滤膜。该膜可有效截留水中的细菌、徽杜、胶体和大分子有机物。由这种超滤膜制成的超滤装1具有分离速度快、使用寿命长、处理能力多样、操作简便等特点,该超滤装1可适用于多种复杂溶液,已被广泛应用于环保水处理,饮用水净化及食品、医药等领城。关健词聚巩中空纤维超滤膜1概述膜分离技术由于其分离速度快、分离精度高、节省能源、使用寿命长、操作方便、应用领域十分广阔等特点,近年来发展十分迅速[’刘。超滤技术是以压力差为动力,利用超滤膜表层上孔径为5一10Iun的微孔,把溶液中大于膜微孔孔径、分子量在30一30(XX)的细菌、微粒、胶体和大分子有机物截留,将其与溶剂和分子量低于30的小分子物质分开的新兴分离技术。它是膜分离技术领域中的重要组成部分。在18世纪初人们就发现了膜的选择透过现象,1960年Loeb和Sourirajan制出了第一张人工半透膜,此后多种规格的超滤膜相继推出,并逐步实现了产业化、商品化,广泛应用于食品、医药、环保及水净化等方面〔’。由于聚矾有优良的物理化学性能、加工性能和膜性能,所以聚矾材质的超滤膜研究是我国最早、最活跃的膜研究内容之一。膜技术的发展是基于膜材料发展的基础之上的,其中加工性能好、易于模塑成型、产品可保持形状不变的工程塑料,如聚丙烯、聚酞胺、聚讽等均是较好的膜材料。聚矾分子中矾基的存在,使其具有比一般极性溶剂大得多的极性矾基偶极矩,所以聚讽对一般的化学试剂稳定性好;由于矾基上的硫原子处于最高氧化态,所以聚矾具有较强的抗氧化性和耐酸碱性;同时,由于二苯基矾是芳香化合物,处于高共扼态,因此其化合键可吸收大量的辐射热而不使主键和支键断裂,这就使得聚讽有较好的耐热性;又因醚基、异丙叉基的存在,使聚讽具有较好的耐水解性;此外,由于在聚矾分子结构中共扼体系内的二苯矾基团空间位置十分稳固,因而较难发生断链和交联,这样就使聚矾在高温下仍能保持较高的强度,在连续载荷下蠕变值很小(10℃、21MPa负荷下,1仪旧h后蠕变值仅为1.5%)。聚矾这些良好的物理、化学及力学性能,使其广泛应用于机械、电子、仪表等领域中,用来制作耐腐蚀、高强度、高尺寸稳定性的零部件。聚矾在酸碱、热水及蒸气中良好的稳定特性也是选作超滤膜材料的重要条件。利用聚矾溶液加工性能好的特点,除可将聚矾做成管式、平板和卷式超滤膜外还可做成中空纤维式的超滤膜。因中空纤维式膜直径较小,将其集合成束后,不需要任何支撑结构,所以用其组装成的超滤膜过滤器结构简单、设备费用低,设备中的每单位体积提供的膜面积,比其它形式的膜制成的设备大得多,按照比表面积(设备体积和膜面积之比)比较,中空纤维膜设备的比表面积约为管式膜设备的30倍、平板膜设备的20倍、卷式膜设备的巧倍,由此可见,单位体积中空纤维式膜设备的工作效率较其它形式的膜设备要高得多。2聚砚中空纤维超渝膜的成膜机理膜材料本身对膜性能影响很大,但同是聚矾材料,不同的加工方法同样会极大的影响着膜的形态结构乃至膜的使用性能,所以在膜材料确定之后,研究适当的制作工艺是本产品的关键。聚矾中空纤维超滤膜外径为1.0mm左右,内径为0.7mm左右,侧壁表皮上布满了纳米级的微孔。空芯纤维的制作在化学纤维工业生产中已有较成熟的工艺方法,但在化学纤维工业中,生产工艺着重于纤维的物化和使用性能,而作为半透膜的聚矾中空纤维超滤膜则不同于一般的民用中空纤维。要收稿日期:2002一05一08王铮,等:聚矾中空纤维超渡膜的制备及应用保证在一定压力下中空纤维膜的分离性能(如分离效果、透水速率等),就必须要求它有十分严格的几何形状和微观结构,因此要采用不同于一般化学纤维和塑料挤出的特殊的加工方法。如采用生产塑料制品的熔融挤出方法,聚矾熔体挤出后被周围空气逐渐冷却,随着熔体温度的降低,熔体流动性逐渐减小而固化成型,虽然因为熔体表层和里层冷却速度不同,会造成中空纤维皮层和芯层结晶度不同而产生结构上的差别,但这种差别很小,基本上可视为是无特殊结构的均质膜,这种聚矾膜结构上的均一性和致密性,决定了产品基本上无透水性,故不能采取此方法制造聚矾超滤膜。超滤膜结构属不对称性结构,起分离作用的纳米级微孔分布在膜表皮,内层为孔径更大起支撑作用的疏松层,见图1。为达此目的,多采用溶液“于一湿”法制膜,用插人管式喷头(或异型喷丝板)成型的方法,即将聚矾溶解于有机溶剂中,同时加入起致孔、调粘、增塑等作用的添加剂,充分混溶,静止脱泡后,由计量泵通过特殊的中心通液式插人管