[发明专利]一种蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及膜分离技术领域，具体说是一种蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜及其生产方法。

背景技术

膜分离是一种操作较为简单、耗能低的分离工艺，其可以利用膜组件即核心部件过滤膜，来回收并再利用混合物中的组分，因而被广泛应用于生物工程、石油、化工、冶金、医药等领域中。目前，在膜分离技术领域中使用的过滤膜在材质上分主要有两种，即有机膜和无机膜，无机膜又以陶瓷膜为主。陶瓷膜与有机膜相比，具有耐高温、耐化学腐蚀、机械强度高、孔径分布均匀、使用寿命长等优点，因此具有广泛的应用前景。

现有的陶瓷膜主要有平板和管式两种结构，其缺点主要有以下两点：

1.陶瓷膜相比于中空纤维结构的膜，其装填密度较低，单位体积内有效过滤面积较小，已有的中空纤维陶瓷膜产品采用单根空心丝结构，但由于单根丝的长径比较大，且陶瓷材料的脆性大，其相对强度必然降低，因此这种中空纤维陶瓷膜的长度一般不会超过450毫米，与普通有机聚合物的中空纤维过滤膜相比，不到其长度的一半，其实用范围受到了很大的限制；

2.陶瓷膜的制备周期较长，工艺过程复杂，制备成本高昂，尤其随着分离精度由微滤向超滤再到纳滤的发展，其多次涂层工艺的制备过程，更加冗长、复杂。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜，这种蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜单位体积内的有效过滤面积较大，且相对强度较高，可制作成较长的尺寸，适用范围较为广泛。

本发明要解决的另一个问题是提供一种蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜的生产方法，该方法采用纳米级的陶瓷粉体作为原材料，进一步提高了膜的过滤精度，避免常规工艺多层、多次、反复烧结的复杂性，提高了膜的实用性及可靠性。

为解决上述问题，采取以下技术方案：

    本发明的蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜包括本体，该本体呈圆杆状且由陶瓷材料制成，本体内密布有纳米级微孔。其特点是所述本体内均布有沿其纵向的通孔，使得本体的横截面呈蜂窝状。

其中，所述本体的外径为5~15mm，长度为50~1500mm，所述通孔的内径为0.5~5mm。所述通孔的数量为3、5、7、19或37个。

本发明的蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜的生产方法的特点是包括以下步骤：

    首先，将聚合物粘合剂溶解在聚合物粘合剂溶剂中，制成聚合物粘合剂溶液；

然后，将纳米级陶瓷粉体倒入聚合物粘合剂溶液中，并加入助剂，形成稳定均匀的悬浮液；该悬浮液中包含50～75重量份的纳米级陶瓷粉体、1～3重量份的助剂、5～10重量份的聚合物粘合剂，剩余成分为聚合物粘合剂溶剂；

之后，将上述悬浮液通过干、湿法工艺的中空纤维的纺丝过程，用含有多个内芯管的喷丝头，一次成型出蜂窝状的中空纤维陶瓷的坯体；

之后，将纺丝制成的坯体直接导入到混凝剂中，通过聚合物粘合剂溶剂与混凝剂的自动交换，使得该坯体凝固；

    最后，将凝固的坯体至于高温炉中加热，加热过程中使得坯体中的聚合物粘合剂挥发去除，并最终将坯体烧结成内部密布由纳米级微孔的蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜。

    其中，所述聚合物粘合剂是聚醚砜、聚偏氟乙烯或聚酰亚胺。所述聚合物粘合剂溶剂是N.N二甲基甲酰胺、N.N二甲基甲酰胺、N甲基—2—吡咯烷酮、二甲基亚砜、二氯甲烷或丙酮。所述纳米级陶瓷粉体是氧化铝、氧化锆或二氧化钛的一种或混合物，其平均粒径在20～200nm之间。所述助剂是聚丙烯酸胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇—400的表面活性剂，或冰乙酸、硝酸、丙酸的PH调节物质，或KH—560有机硅偶联剂。

采取上述方案，具有以下优点：

由于本发明的蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜的本体内均布有沿其纵向的通孔，使得本体的横截面呈蜂窝状，即其过滤面为本体内多个纵向通孔的内壁，因此其单位体积内的有效过滤面积相对较大，在过滤要求相同的情况下，可有效的缩小中空纤维陶瓷膜的长径比，有利于生产和应用。而且，该蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜在受到外力作用时，本体内部的应力分布较为分散，不容易出现应力集中的部位，因此其相对强度较高，不易断裂，可以按照使用需求制作成较长的尺寸，适合多数场合和安装尺寸的要求，使用范围较为广泛。

由于本发明的蜂窝状中空纤维陶瓷超滤膜的生产方法中采用纳米级陶瓷粉末作为原材料，并经纺丝、烧结成型为蜂窝状中空纤维，其内部的纳米级微孔更加细密、均匀，在提高过滤膜强度的同时，有效的提高了膜的过滤精度。且其生产工艺步骤简单，避免了常规工艺多层、多次、反复烧结的复杂性，有利于生产和应用，提高了膜的实用性及可靠性。