[发明专利]一种高通量聚酰胺中空纤维纳滤膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高通量聚酰胺中空纤维纳滤膜及其制备方法，通过配置含有多元胺单体的涂覆液，采用在线涂覆装置利用相转化在增强的中空纤维膜外表面形成富含胺单体的涂覆层，随后与酰氯溶液接触原位诱导界面聚合发应，从而得到高通量无缺陷聚酰胺中空纤维纳滤膜。本发明制备的纳滤膜具有超薄的聚酰胺选择层和碗状的表面结构，有助于降低水传输阻力，提供更高的渗透比表面积，具有与传统纳滤膜相类似的截留性能和更优异的渗透性能。该纳滤膜分离层连续均匀、具有分离过程中性能稳定、反洗过程中功能层稳定不易脱落等优势。制膜方法简单、经济、便于在连续化生产中实现，预期在饮用水净化、海水淡化及废水分盐资源化方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳滤膜的制备技术领域，具体涉及一种高通量聚酰胺中空纤维纳滤膜及其制备方法。

背景技术

纳滤是一种分离效果介于反渗透和超滤之间的膜分离技术。纳滤膜以分离性能优异、能耗及成本低、环境友好等优势，在水净化、废水回收和海水淡化等领域显示出巨大的潜力。

到目前为止，市售的纳滤膜主要是薄膜复合(TFC)平板膜，主要通过界面聚合(IP)反应构建的选择性聚酰胺(PA)层和多孔聚合物基底。尽管传统的TFC膜具有较高的溶质截留率，但较低的水渗透性不可避免地阻碍其应用。目前将功能性纳米材料(例如碳纳米管、氧化石墨烯、纤维素纳米晶体、金属有机骨架，共价有机骨架等)掺入PA层中可有效提高水的渗透性。但是，纳米填料的不利分散及其团聚可能会导致界面缺陷，从而损害溶质选择性和膜结构稳定性。除了使用纳米材料外，优化IP工艺设计(如中间层的引入、两相单体的设计和低温控制)得到高渗透TFC膜也得到了广泛的探索。然而，这些改性的膜主要是TFC平板膜，且制备过程繁琐。相比平板膜，中空纤维膜具有比表面积大、填充密度高、自支撑、预处理少和抗污染能力强等独特优势，因而具有更大的应用潜力。然而，由于中空纤维膜曲率半径小，使得界面聚合很难在中空纤维膜表面形成连续均匀的分离层。因此，通过简单、廉价的程序开发高通量、无缺陷TFC中空纤维纳滤膜仍然是一个挑战。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高通量聚酰胺中空纤维纳滤膜及其制备方法，将多元胺单体溶解涂覆液中，采用在线涂覆装置利用相转化在增强的中空纤维膜外表面形成富含胺单体的涂覆层，随后与酰氯溶液接触原位诱导界面聚合发应，从而得到高通量TFC中空纤维纳滤膜。本发明制备的纳滤膜具有超薄的聚酰胺选择层和碗状的表面结构，有助于降低水传输阻力，提供更高的渗透比表面积，赋予纳滤膜良好的分离性能。本发明制备过程简单、经济、无需后处理、易于在连续工业生产中实现，同时分离层连续均匀、分离性能稳定，具有广阔的市场应用前景。

为此，本发明的技术方案如下：

1)配置涂覆液：将聚合物、多元胺单体、有机溶剂按照如下质量百分比混合：聚合物10～25wt％、多元胺0～3wt％、溶剂70～85wt％，各组分总和为100％；所述混合物在常温下搅拌4～24h得到均质涂覆液；

2)配置双浴：包括第一凝固浴和第二反应浴；其中，所述第一凝固浴为水，所述第二反应浴为浓度为0.01～1.0w/v％的多元酰氯有机溶液；

3)制备高通量聚酰胺中空纤维纳滤膜：中空纤维超滤膜在牵引力作用下以0.01～0.1m/s的恒定速率垂直穿过涂覆装置，所述涂覆液均匀地涂覆于中空纤维膜的外表面，经过1～10cm的空气间隙后，首先进入凝固浴0～60s，通过有机溶剂和水的双扩散，涂敷液固化形成富含胺单体的涂覆层，然后穿过一个填充有滤纸或其他吸水材料的圆形设备以从涂层表面去除多余的胺溶液，随后进入第二反应浴，与多元酰氯溶液接触10～120s，在涂覆层的表面原位诱导界面聚合发应，从而得到高通量无缺陷的聚酰胺中空纤维纳滤膜。进一步，步骤1)中所述聚合物为聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)或聚丙烯腈(PAN)的其中一种或其任意比例的混合物。

进一步，步骤1)中所述多元胺单体为哌嗪、对苯二胺或间苯二胺的其中一种或几种的混合物。