[发明专利]具有改善的机械特性的陶瓷空心纤维膜

说明书

技术领域

本发明一般性涉及陶瓷空心纤维膜。本发明具体涉及具有改善的机械特性的这类空心纤维膜。本发明还涉及用于制备这类空心纤维膜的方法。

背景技术

过滤法或分离法对气体和液体的浓缩和分离具有很大的经济意义。在此领域越来越多地应用膜技术。在此情况下，空心纤维膜在过滤工艺或浓缩工艺中的应用随之带来一系列的优点。

因为面积对体积之比相对高，所以浓缩工艺或过滤工艺的效率也高；此外该方法也易于实施，并适合于各类需求。

早期的商用空心纤维膜由聚合物材料制成，所以对腐蚀条件和较高温度是敏感的。因此很快制备出陶瓷空心纤维膜，例如通过在碳丝上的蒸汽冷凝和接着去除该碳丝来制备。

用于制备陶瓷型空心纤维的现今已知的方法包括纺丝工艺，在该工艺的第一步骤中，由含陶瓷材料前体的可纺丝原液和聚合物来制备弹性的生纤维（Grünfaser）。接着在高温下烧去该聚合物成分，并形成纯的陶瓷型空心纤维。

基于金属氧化物如Al₂O₃的陶瓷空心纤维膜由于结构特性及其几何形态仅达到低的强度值。如在3-点-弯曲试验中的断裂力仅为约6 N，这换算成弯曲断裂强度相当于约为33 MPa。

该空心纤维膜的高机械应力主要在操作时和在进一步加工中(如在模块结构中)以及在空心纤维运输中 (作为单部件或以模块形式) 和在压力冲击或压力梯度下的运行中出现，以致有时会出现高的废品率。如果该空心纤维已构建到模块中，则要消除例如由运输造成的纤维断裂的缺陷是特别复杂的。

有关这方面，DE 102009038814 A1公开了一种模块元件，其包括一个具有用于引入陶瓷毛细管膜的至少一个通孔的耐高温的基体，EP 0941759 A1描述了一种用于制备空心纤维膜模块的方法。

由CN 102515817 A已知制备具有高过滤流量的陶瓷空心纤维膜。该纤维的组成(以重量%计)为40-80份粉末状的硅酸铝水合物、10-20份粉末状的塑性耐火粘土、1-10份粉末状的钠长石、1-10份粉末状的白云石、6-10份粉末状的硅酸硼玻璃粉、1-7份羧甲基纤维素和1-3份甘油。该纤维的外径为3-6 mm，内径为1-2 mm，该纤维长度为100-1000 mm。总孔隙度为50-56 %，水流量为10000-12500 L/m²hMPa和弯曲断裂强度为35-85 MPa。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供陶瓷空心纤维膜，其在保持迄今的空心纤维膜的孔隙度和流量效率下具有改善的机械特性。

本发明的上述目的通过本发明的方法和空心纤维膜实现。本发明的用于由纺丝原液制备陶瓷空心纤维膜的方法的特征在于包括下列步骤：

-由溶剂、聚合物和陶瓷粉末制备纺丝原液；

-向纺丝原液中加入二次相；

-将纺丝原液喷入沉淀浴中，其中聚合物通过与沉淀剂接触而凝固；和

-烧结所获得的生坯，

其中所述陶瓷空心纤维膜的制备基于氧化物陶瓷材料进行或者基于非氧化物陶瓷材料进行，

其中该二次相是由纳米级伊利石组成的玻璃相。

本发明的陶瓷空心纤维膜基于氧化物陶瓷材料或者基于非氧化物陶瓷材料，其特征在于，其具有由纳米级伊利石组成的二次玻璃相。

在本发明的一个特别的实施方案中，该二次相是玻璃相。

在本发明的一个优选实施方案中，该玻璃相是纳米级的lllit。

本发明的空心纤维膜主要适用于微滤、超滤、纳滤和气体分离，特别是适用于水净化 (废水净化、饮用水处理等) 领域或油-水分离领域，如其在石油-和天然气工业中应用。

具体实施方案

通过使用纺丝原液的纺丝工艺制备空心纤维膜，其中作为基础配剂的纺丝原液由溶剂、聚合物和陶瓷粉末 (氧化铝) 以及用于稳定悬浮体的分散剂组成。通常，这类空心纤维膜的强度的升高导致较低的孔隙度和由此也造成较低的过滤效率。

已经发现，在用于制备基于氧化物陶瓷材料如氧化铝、ZrO₂或TiO₂，或基于非-氧化物陶瓷材料如Si₃N₄、AlN或WC的陶瓷空心纤维膜的陶瓷空心纤维的基础配剂中加入二次相却抵消这种发展。该二次相优选由玻璃相组成，其加入量为基于总固体计约0.5-10 %。