[發明專利]一種基于中空泡沫材料的膜分離裝置及其應用

有效

• 申請號: 201711088705.3
• 申請日: 2017-11-08
• 公開（公告）號: CN109745862B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 張勁松;高勇;田沖;楊振明;楊曉丹
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B01D61/00
• 分類號: B01D61/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及膜分離領域，具體地說是一種基于中空泡沫材料的膜分離裝置及其應用。該膜分離裝置的主要功能區含有中空泡沫材料，該材料的結構在宏觀上由三維連通的支撐骨架網絡構建而成，支撐骨架自身為三維連通的具有中空結構的微通道，微通道管壁含有孔徑尺度為埃級至微米級的孔隙。采用本發明所述的方法構建的基于中空泡沫材料的膜分離裝置同時具有尺寸可調控的三種類型的孔隙：宏觀三維連通開孔網絡、三維連通的中空微通道、微通道管壁本體內的埃級至微米級孔隙。該膜分離裝置具有如下優勢特點：中空微通道的管壁本體作為承擔分離作用的多孔膜，其一側的待分離物或分出物可在宏觀三維連通開孔網絡內進行高效的物質、動量和熱量傳遞。

技術領域

本發明涉及膜分離領域，具體地說是一種基于中空泡沫材料的膜分離裝置及其應用。

背景技術

膜分離技術由于兼有分離、濃縮、純化、精制等功能，且具有高效、節能、環保、分子級過濾、過濾過程簡單、易于控制等優勢特征，被廣泛應用于國民經濟生活的諸多領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，逐漸成為當今分離科學中最重要的技術手段之一。尤其是無機分離膜，因具有耐高溫、結構穩定性高、耐磨、耐沖刷、抗微生物降解、對有機溶劑或腐蝕氣體穩定性良好、壽命長、易清洗等優異的材料性能，使其在化學工業、石油化工、冶金工業、生物工程、環境工程、食品、發酵和制藥等領域受到廣泛關注和研究。

盡管如此，就目前現狀而言，無機分離膜的應用規模在整個膜市場中的占比還遠未達到預期的程度，而限制其應用的最大問題是成本。其中，膜組件單位體積的有效膜分離面積較低是導致無機分離膜應用過程中綜合效益不高的最主要因素之一。因此，具有較大裝填密度的中空纖維構型逐漸成為提高有效膜分離面積的必然技術趨勢，已被眾多無機分離膜研究者列為推廣無機分離膜市場應用過程中頗具前景的研究方向。

中空纖維無機分離膜的纖維直徑是影響其裝填密度的關鍵因素之一；減小纖維分離膜的直徑將顯著提高其裝填密度，進而增大膜組件單位體積的有效膜分離面積。然而無法回避的是，構成無機分離膜的材料韌性差，在制備大長徑比的中空纖維無機分離膜時易發生脆裂或脆斷，成品率低，制備成本高。為避免脆裂或脆斷，目前中空纖維無機分離膜的纖維直徑普遍為若干毫米級且纖維長度受限嚴重，導致無機分離膜的有效膜分離面積無法大幅提高。

中空泡沫材料是一種特殊的多孔材料。其宏觀結構特征是以多邊形封閉環為基本單元，各基本單元相互連接形成的三維連通網絡；微觀結構特征為中空纖維結構(或中空微通道)結構的三維網絡化。具有此類結構的無機材料可以將纖維直徑降低至最小百微米數量級的同時，避免了中空纖維長度增大導致的脆裂或脆斷問題。因此，中空泡沫材料，尤其是具有多孔管壁的中空泡沫材料能夠在膜分離領域擁有較廣的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于中空泡沫材料的膜分離裝置及其應用，解決現有技術中有效膜分離面積較低、有機中空纖維膜材料不耐高溫、不抗氧化、耐腐蝕性差、力學性能差等問題。

本發明的技術方案：

一種基于中空泡沫材料的膜分離裝置，該膜分離裝置由一個中空泡沫膜分離單元組件獨立構成，或由兩個以上或兩種以上結構的中空泡沫膜分離單元組件通過并聯或串聯方式進行模塊化組裝集成，所述的中空泡沫膜分離單元組件含有如下功能區：流體引接口、集流空腔、流體密封阻擋層、中空泡沫材料微通道管壁膜分離區。

所述中空泡沫膜分離單元組件的主要功能區域為中空泡沫材料微通道管壁膜分離區，該區域含有中空泡沫材料，其在宏觀上由支撐骨架(a)三維連通以形成開孔(b)網絡結構；其中，支撐骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，該微通道(c)的橫斷面為近圓狀或橢圓狀，其中空微通道管壁為分離膜本體。

所述中空泡沫材料，其開孔(b)的網孔尺寸(d1)為0.2mm～20mm；中空的微通道(c)的外徑尺寸(d2)為0.1mm～10mm，內徑尺寸(d3)為0.02mm～9mm；中空的微通道(c)的管壁是致密無孔的，或是含有孔隙的，孔隙的孔徑尺寸范圍為0.1nm～100μm，孔隙率p為0p≤70％。