[發(fā)明專利]一種聚四氟乙烯中空纖維膜的制備及膜和膜接觸器與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611096701.5
• 申請日: 2016-12-02
• 公開（公告）號: CN108144456B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 康國棟;賈靜璇;李萌;劉丹丹;周美青;鄒彤;曹義鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: B01D67/00
• 分類號: B01D67/00;B01D63/02;B01D71/36;B01D53/22;C10L3/10;C02F1/44;C02F1/20
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及一種聚四氟乙烯中空纖維膜的制備及其接觸器應(yīng)用，通過添加特定致孔劑改善聚四氟乙烯中空纖維膜的微觀形貌和微孔結(jié)構(gòu)，提高制備過程中膜孔的可控性。經(jīng)過配料、熟化、預(yù)壓成型、擠出、脫脂和熱燒結(jié)等步驟，得到多孔聚四氟乙烯中空纖維膜。與傳統(tǒng)聚四氟乙烯微孔膜制備過程相比，本發(fā)明方法減少了拉伸工序，不僅提高了生產(chǎn)效率，還改善了中空纖維膜的加工性。此外，與傳統(tǒng)拉伸法得到狹長型微孔不同，本發(fā)明的致孔劑致孔效果明顯，且得到非狹長形的孔結(jié)構(gòu)。將所制中空纖維膜絲組裝成接觸器，可用于分離或脫除連續(xù)氣流中的某些組分，如天然氣和沼氣凈化、煙道氣脫碳、脫除水中氧等過程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種聚四氟乙烯中空纖維膜的制備及其膜接觸器應(yīng)用。

背景技術(shù)

膜接觸器是指用于兩相接觸的一種新型膜系統(tǒng)(過程示意如圖1所示)。自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)后，逐漸在某些分離體系中起到舉足輕重的作用，具有非常廣泛的應(yīng)用潛力。由于其獨特的結(jié)構(gòu)和操作方式，與相對傳統(tǒng)的氣體分離過程相比，膜接觸器(如圖2所示)具有以下一些優(yōu)點：傳質(zhì)系數(shù)和分離效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、氣液兩相的流動速率可以獨立控制、可以與其他系統(tǒng)特別是解吸系統(tǒng)結(jié)合使用等。膜接觸器最為突出的特點是：可以在明確、穩(wěn)定的界面上進(jìn)行操作；將界面面積的穩(wěn)定性或液體性質(zhì)的調(diào)整相結(jié)合，可以獲得比傳統(tǒng)操作單元更高的效率。

膜是膜接觸器過程的核心。膜接觸器中所使用的膜一般是微孔膜，其對分離體系中的各組分不具有任何選擇性，僅僅是提供一個確定的界面使兩相可以接觸，且不發(fā)生混合和分散。常用的聚合物膜的壽命有限且易被污染，這意味著膜材料限制了膜接觸器的使用范圍。同時，所允許的操作壓力是有限的，取決于臨界突破壓力值的大小，因此除了膜本身理化性質(zhì)外，還要求膜具有合適的結(jié)構(gòu)以提供較高的臨界突破壓力值。

聚四氟乙烯具有突出的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的高低溫性能及耐腐蝕性，在化工、石油、紡織、電子和機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。同時由于聚四氟乙烯的強(qiáng)疏水性和多孔性能，使其成為制備防水透氣紡織纖維以及膜蒸餾和膜接觸器的理想膜材料。與其他膜材料相比，ePTFE膜是惟一能夠長期穩(wěn)定使用的膜，其傳質(zhì)系數(shù)很高(Guilin,C.；Lihua,C.；Lin,Z.；Huanlin,C., Research progress of membrane contactor for gasseparation.Chemical Industry and Engineering Progress 2006,25,906-906.)，加之中空纖維膜具有體積小、自支撐能力強(qiáng)、裝填密度大等優(yōu)點，使得聚四氟乙烯中空纖維膜在膜接觸器領(lǐng)域備受關(guān)注。膜接觸器過程的穩(wěn)定性和臨界突破壓力的大小密切相關(guān)，臨界突破壓力越大，過程的穩(wěn)定性越好。臨界突破壓力隨著孔尺寸的增大而降低，因此液相對膜的潤濕作用首先是發(fā)生在孔尺寸最大的地方。使膜的孔徑分布盡可能地均勻，可提高膜接觸器的操作穩(wěn)定性。

膜的通量對于膜接觸器過程的工作效率有著重要影響。對于具有確定孔面積的孔，圓形孔的通量最大。對于橢圓形孔和矩形孔來說，隨著孔長寬比的增大，流量迅速減少。當(dāng)孔長寬比等于5時，具有同樣面積的橢圓形孔或矩形孔的通量只有圓形孔通量的40％。(鄭巨孟，中空纖維膜及膜接觸器傳質(zhì)特性的研究[D].浙江大學(xué)，2003)

現(xiàn)階段多孔PTFE中空纖維膜多采用擠出-拉伸法制備，制備流程包括混料、擠出紡絲、單向拉伸和燒結(jié)。PTFE樹脂混料后通過高壓擠出預(yù)成型為中空纖維膜，在一定溫度下單向拉伸，此時PTFE樹脂纖維化，因此膜孔多成狹縫型，如圖3中所示(田普峰，聚四氟乙烯拉伸微孔膜的制備、結(jié)構(gòu)與性能[D].西北工業(yè)大學(xué)，2006)。拉伸微孔膜的這種狹縫狀的孔結(jié)構(gòu)對膜的通量是不利的，而為了保證膜接觸器的工作效率，通過增加拉伸倍數(shù)而提高空隙率的方法又會造成大孔的出現(xiàn)，使膜接觸器過程的穩(wěn)定性降低。此外，初生纖維強(qiáng)度較差，為了使其能在較高溫度下順利拉伸，通常使用較大尺寸的噴頭進(jìn)行紡絲，同時提高內(nèi)外徑和壁厚，這樣在拉伸過程中中空纖維能保持形狀穩(wěn)定，但同時這也導(dǎo)致了相同原料制備的中空纖維膜接觸面積大大減小，不利于提高膜的經(jīng)濟(jì)性。

發(fā)明內(nèi)容