[发明专利]一种煤基中空纤维炭膜的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种煤基中空纤维炭膜的制备方法及应用，制备方法为：以前驱体材料、高分子聚合物、极性溶剂、添加剂配置铸膜浆料，制备煤基中空纤维炭膜前驱体；通过干燥与高温热解程序(700～1100℃)，在惰性气氛中制备煤基中空纤维炭膜。本发明工艺简便，操作简单，便于工业化生产和大规模应用；得到的煤基中空纤维炭膜富含孔隙，导电性能良好、化学稳定性较佳，拉伸强度优异，可广泛应用于石油化工废水、生物医药出水与生活污水等水体的降解处理与微污染净化。

技术领域

本发明涉及中空纤维膜制备领域，具体为公开了一种煤基中空纤维炭膜的制备方法及应用。

背景技术

炭膜材料是一种由含碳物质作为前躯体经成型与炭化工艺制备出的炭基膜材料，具有优异的耐腐蚀性、热/化学稳定性。中国专利(授权公告号为CN1244395C、CN1225307C、CN102527257B、CN103272490B、CN206853476U)详细阐述了管式煤基炭膜的制备工艺流程。该流程工艺简单，操作成本低、无二次污染。然而，所制备的中空管式炭膜的比表面积与有效填充面积并不理想，亟需改进。

中空纤维膜由于非对称结构以及多孔结构从而具有较低的传输阻力与高通量，并且装填密度高、化学稳定性优异，并且多个中空纤维膜布置可以增加每单位体积的膜面积。中空纤维膜由支撑层和致密层构成，具有一定的机械强度，无需构筑其他支撑体。致密层广泛分布起筛分作用的微孔或介孔；膜内外能承受较大的压力差，能有效提高渗透通量。中空纤维膜通常采用溶液纺丝-相转化法，重现性好，易于放大。

为解决现有煤基管式炭膜比表面积低，填充密度不理想的技术不足，本发明致力于制备富含孔隙、导电性能良好的煤基中空纤维炭膜，原料价格便宜，用量较少，单位体积能提供较大的膜面积；制备所需的设备操作简便，工艺成熟可靠，可大幅降低电催化膜的生产成本。此外，制得的煤基中空纤维炭膜可广泛应用于多种水体净化，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种煤基中空纤维炭膜的制备方法及应用，该方法制备工艺简单，操作简便。旨在提供一种低成本，稳定性较佳，填充密度较大的且可用于电化学高级氧化水处理的煤基中空纤维炭膜；通过调控纺丝浆料、内芯液、外芯液、成型工艺与热解工艺的相关参数，可实现孔道结构的调节并调控其吸附与膜分离性能。本发明技术方案具体如下：

一种煤基中空纤维炭膜的制备方法，具体按照以下步骤进行：

(1)纺丝浆料的配置：将包括前驱体材料、高分子聚合物、极性溶剂、添加剂的原料按照一定质量百分含量混合，配置纺丝浆料；其中，所述的前驱体材料为煤，原料的质量百分含量为：前驱体材料10～60wt％、高分子聚合物5～30wt％、极性溶剂30～60wt％、添加剂0～10wt％；

(2)配置内芯液、外凝固液；

(3)纤维成型：将纺丝浆料与内芯液在微量注射泵的推动下，分别以2～30ml/min的速度穿过纺丝头，空气间距0～5cm；纺丝液挤出成型后在外凝固液中静置凝固化处理12～24h，得到煤基中空纤维；

(4)水洗与干燥：将煤基中空纤维水洗后取出，截成需要的长度并干燥；

(5)高温热解：将干燥后的煤基中空纤维炭膜置于惰性气氛中进行高温热解，热解温度为700～1100℃，保温时间为0.5～3h，热解后，降至室温，得到所述煤基中空纤维炭膜。

基于上述方案，优选地，步骤(1)中，纺丝浆料的配置包括如下步骤：将前驱体材料、高分子聚合物、极性溶剂、添加剂以一定的质量百分比充分混合，充分研磨后，在25～30℃的温度下机械搅拌12～48h，形成均一的聚合物溶液，并静置脱气24～48h，或真空脱气2～6h，形成均一的纺丝浆料。