[发明专利]一种制备内衬增强型中空纤维复合膜的涂覆与凝固装置及方法

说明书

本发明在于提供一种用于改进型水平涂覆法生产内衬增强型中空纤维复合膜的涂覆与凝固装置与方法。该装置包括涂覆装置、成膜甬道区、凝固水浴槽、循环水浴装置。涂覆装置由涂覆机头固定于可调倾斜角的机箱底板上，凝固装置的主体是一字排列的多级长方体水槽，水槽一侧的高度可在一定的范围内调节，使涂覆机头与编织管保持同心。空气段由成膜甬道区控制环境的温、湿度，与凝固槽平行排列，避免凝固槽蒸发的水汽与膜丝接触。凝固浴槽在膜丝进、出两侧开槽，槽口处既是膜丝的进出通道，同时凝固剂从槽口溢流到加热水箱后由泵输送回凝固浴槽。相比传统垂直涂覆内衬膜装置，该装置具有操作简单、工艺条件容易控制、生产率高的优点。

技术领域

本发明涉及有机中空纤维微孔膜制备领域，尤其是由编织管内衬增强的中空膜管及其生产装置。所述的涂覆与凝固装置应用于改进型水平涂覆法复合膜制备系统。

背景技术

随着工业化程度不断提升和各类水资源品质的日益恶化，化学稳定性好、机械强度高、抗污染能力强成为对膜分离材料性能越来越普遍的要求。同时由于大量水体的深度污染而导致的水质型缺水，传统生物处理法由于自身的缺点（出水水质差、占地面积大、处理周期长、冲击负荷低等）已不能满足经济社会发展的需求，使膜生物反应器（MBR）过程成为最有市场前景的废水处理技术，同时，应用于MBR过程中的内衬增强型中空纤维复合膜凭借其优越的性能得到了快速的发展。

内衬增强型中空纤维复合膜主要由涂覆的表面分离层和编织管或其他类型支撑材料所组成，分别担负分离与高强度两项功能。表面分离层可选择的膜材料包括聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（PES）或聚偏氟乙烯（PVDF）等，美国专利4061821公开了一种制备内衬编织管的聚丙烯腈中空纤维膜，中国专利CN102389721A公开一种带支撑材料的聚丙烯腈膜及其制备方法。通过干-湿工艺制备PAN中空纤维膜，并从其他入口使单丝进入喷丝头，混纺制备带支撑材料的聚丙烯腈中空纤维复合膜，美国KOCH公司的PURON® MBR膜元件以PES为表面分离层材料（JuddS. 2006，The MBR BOOK ），美国专利5472607公开了一种PVDF溶液涂覆管状编织物以形成由编织物加强的中空纤维膜的方法，中国专利CN104117289A、CN1695777A、CN101357303A、CN102784566B等公开了以PVDF为分离层材料的内衬增强型复合膜材料。

最初的纤维增强型中空膜制备工艺源于Hayano等人（US Patent No.4061821）提出了的一种纤维编织管涂覆技术，该技术只是将铸膜液简单地涂覆在纤维编织管的外表面，很难控制铸膜液向编织管内的渗入量，易堵塞中空纤维膜内腔，并且在使用中容易脱落。在此基础上，加拿大Zenon公司（US Patent No.5472607，US2003/0098275A1，WO 00/78437A1）公开了一种制备聚合物复合中空纤维膜，通过减小纤维束的旦尼尔数、增加纤维束的编织密度以及改进纤维束的编织方式，使铸膜液与纤维编织管共挤出进行涂覆时，不至于渗入到编织管内部，由于该制备技术只是将聚合物涂敷在纤维编织管的外表面，聚合物分离层与纤维编织管结合力较弱，分离膜易于脱落的问题没有解决。

支撑层是在中空纤维膜内部引入编织纤维管或纤维束作为支撑体，利用编织纤维管或纤维束来增加膜材料的机械强度。其中编织纤维管或纤维束本身要具有良好的化学与热稳定性，以及优越的机械性能，能够被铸膜液所润湿，但不能被铸膜液中溶剂所溶解，美国专利US5472607公开了编织管所用的纤维材料为聚酯纤维（涤纶）、聚酰胺纤维（尼龙）、聚烯烃纤维（丙纶、乙纶等）、聚氨酯纤维（氨纶）、聚砜纤维、醋酸纤维素纤维。

表面分离层的成膜机理与干-湿法浸没相转化制膜工艺一样，为一动力学双扩散过程，由聚合物-溶剂-非溶剂三种主要成分构成铸膜液体系。成膜过程分成两个阶段：内衬材料-如编织管经过涂覆机头形成初生膜层，首先在空气中经历扩散受限的蒸汽相转化（第一阶段），然后进入凝固浴经历完全的扩散相转化（第二阶段）。