中空纤维膜无泡充氧过程的传质性能研究

中空纤维膜的现状与研究进展顾蓓蓓,胡啸林(南通大学纺织服装学院,江苏 南通 226007)摘 要:综述了中空纤维膜的现状和研究进展,包括中空纤维膜的发展历史、中空纤维膜的制备方法、中空纤维膜的工业应用等几个方面,提出了中空纤维膜应用存在的问题,对这个方面所存在的问题和今后发展方向进行了展望,并提出建议。

关键词:中空纤维膜;制备;膜材料;应用Status -quo and R esearch Develop m ent of H oll o w Fiber M e m braneGU B ei -bei ,H U X iao -lin(C ollege o fTex tile and C lothing ,N antong U niversity ,Ji a ngsu Nantong 226007,Ch i n a)Abst ract :The status-quo and research developm ent of hollo w fi b er m e mbrane w ere su mm arized ,i n clud i n g the h i sto r y ,the preparati o n m ethod ,the i n dustria l app lication o f ho ll o w fi b erm e m brane and so on .The proble m s o f ho llo w fi b er m e m brane w ere outli n ed .Based on the pr oble m s ,t h e perspecti v e o f hollo w fi b er m e m brane industr y w as presented,and suggestions w ere pr oposed .K ey w ords :ho llo w fi b er m e mbrane ;preparation ;m e m brane m ateria;l application作者简介:顾蓓蓓(1985-),女,南通大学,在读硕士研究生,主要研究方向:中空纤维膜的应用研究。

中空纤维膜工作原理
中空纤维膜是一种用于膜分离过程的膜材料，其工作原理是通过膜的微孔（也称为孔径）来实现物质分离。

中空纤维膜由聚合物材料制成，具有中空管状结构，内部有一系列的微孔。

当混合物（例如水溶液）通过中空纤维膜时，根据溶质的大小和性质，溶质分子可以被分离。

较小的溶质分子可以穿过微孔并通过膜的内部进一步传递，而较大的溶质分子则无法通过微孔，被阻挡在膜表面。

这种分离过程基于一系列传质机制，其中包括纳滤、超滤和逆渗透。

纳滤是指通过选择性阻挡较大分子和颗粒来分离较小分子的过程。

超滤则将分子根据其分子量和形状的不同分开。

逆渗透则是通过产生高压使溶质逆向移动，从而分离出溶质。

这些机制可以根据溶质和溶剂的性质以及应用需求进行调节。

中空纤维膜广泛应用于水处理、污水处理、饮料生产、生物医药等领域，具有高效、可靠、可控制的优点。

其工作原理的理解对于膜分离技术的应用和优化具有重要意义。

UHMW一PAN中空纤维膜的研制及应用（4）-----UHMW-PAN中空纤维膜的制备工艺沈新元1 ,朱新远2 ,王庆瑞11东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室，上海(20005)2上海交通大学应用化学系，上海 (200031）摘要：以超高相对分子质量聚丙烯腈(UHMW-PAN)为原料制备中空纤维膜，研究了纺丝方法和工艺条件对中空纤维膜力学性能的影响。

实验表明，凝胶纺丝制备的中空纤维膜的韧性最好，其合适的工艺参数为：聚合物分子量 Mv=1.29×106，纺丝溶液浓度 C=3%，气隙长度 L=3cm，拉伸倍数 R=14。

关键词：超高相对分子质量聚丙烯腈凝胶纺丝中空纤维膜韧性中空纤维膜作为分离膜的主要形式之一，因为具有装填密度高、比表面积大、组件结构简单等优点，自问世后发展很快，并且已在血液透析、水或其它流体的净化、食品或饮料的生产等领域得到越来越多的应用[1，2]。

但同时也给世界膜技术工作者带来了一个问题，即如何进一步提高中空纤维膜的机械强度，以便它们能经受多次反冲洗而重复使用，以降低操作费用和减少废物。

这方面，日本东丽株式会社等已取得了较大的进展，他们采用重均相对分子质量（Mw）为20万的聚丙烯腈（PAN）作为膜材料，制成了机械强度较高的PAN中空纤维膜，并且已成功地应用于水的除浊[3，4]．有人还将这种中空纤维膜进行碳化，制成了一种新型的无机膜--PAN基中空纤维碳膜，可望在高温气体分离等领域发挥重要作用[5]。

作者合成了黏均相对分子质量（Mv）≥80万的超高相对分子质量聚丙烯腈（UHMW-PAN）[6」，并通过将以其制成的中空纤维膜进行氧化和水解，制成了pH响应性多孔中空凝胶纤维[7]。

本文作为这一研究工作中的一部分，在以前研究[6，8－10]的基础上，以自己合成的UHMW-PAN 为原料纺制中空纤维膜。

制备中空纤维膜可以采用湿法纺丝、干法纺丝、干-湿法纺丝和熔体纺丝[11]。

东华大学硕士学位论文聚醚砜中空纤维膜的研究姓名：朱思君申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王庆瑞2003.1.14摘要论文题目：聚醚砜中空纤维膜的研究论文摘要：＼聚醚砜（ＰＥＳ）是一种综合性能优良的聚合物膜的原材料，其玻璃化温度高达２２５℃，具有优异的耐热性、耐碱、耐压力，耐腐蚀等性能，常作为超滤、纳滤膜的材料爿本文研究了制膜用聚醚砜／二甲基亚砜（ＰＥＳ／ＤＭＳＯ）体系的流变性奇ｇ，以及所制得膜（包括中空纤维膜和平板膜）的结构和性能，提出了对中空纤维进行“双向拉伸”的新概念。

采用锥板式流变仪研究ＰＥＳ／ＤＭＳＯ体系的流变性能，利用人工肾透析机、分光光度计、扫描电子显微镜、声速取向测定仪等装置研究了聚醚砜膜的结构和性能与其成形条件间的关系，为确定纺制ＰＥＳ中空纤维膜的工艺参数提供参考。

流变性能研究结果表明，聚醚砜／二甲基亚砜溶液作为一种切力变稀的流体，其非牛顿指数随着ＰＥＳ浓度的增加而减小，随着溶液温度的升高而增大。

当溶液中的ＰＥＳ浓度为２４％时，溶液中的大分子缠结点接近饱和值，继续增大浓度，缠结点已不再增加或增加很小，Ｅ．变化不大。

成形条件与膜结构和性能关系的研究结果表明，膜结构和性能是原液中ＰＥＳ质量分数、成形时填充液压力、蒸发时间、凝固浴浓度和温度、拉伸的分配等诸多因素的函数。

对于聚醚砜／二甲基亚砜体系而言，凝固浴中凝固剂的质量分数在ｏ－＿４０％之间，随凝固剂的含量的增加，膜的水通量随之下降，并出现一个最小值，然后随着凝固剂的含量的继续增加，膜的水通量反而随之上升。

其余因素对膜结构和性能的影响均呈现单调变化的趋势。

可根据产品要求来确定相应的工艺参数。

，Ｌ双向拉伸对膜取向度影响的研究结果表明，随着径向张力的提一高，聚醚砜中空纤维的轴向取向度下降；随着纺丝速度的提高，轴向取向度将上升；随着凝固浴浓度的上升，轴向取向度先增大后减小，出现了一个最大值；在总拉伸不变的前提下，随着凝固浴中轴向拉伸摘要率的提高，轴向取向度反而减小。

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 2 期中空纤维膜臭氧接触式反应器传质机理分析姚福春1，2，毕莹莹1，唐晨2，杜明辉1，李泽莹1，张耀宗2，孙晓明1（1 中国环境科学研究院国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012；2 华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063000）摘要：将疏水性聚四氟乙烯（PTFE ）中空纤维膜组装成膜接触器，开发了膜接触式臭氧（O 3）传质技术。

对比了气泡传质和膜接触传质的差异，通过O 3传质模型和阻力模型对该技术的主要影响因素和传质机理进行了研究。

结果表明，O 3可以有效地通过疏水性PTFE 膜进行传质，当搅拌速度达到1500r/min 时，膜传质的表观传质系数（0.3049min -1）与气泡传质（0.3109min -1）相当。

同时，膜表面的疏水结构将尾气的湿度降低到0.8g/m 3以下，远低于气泡传质（>11.5g/m 3），符合进入臭氧发生器的标准，具备回收氧气的可行性。

O 3的传质通量受液体流速、pH 、污染物浓度、气体流量以及进气O 3浓度的影响。

在pH=11、苯酚浓度为0或pH=7、苯酚浓度为20mg/L 时，传质通量达到了0.16g/(m 2·h)。

O 3传质过程的传质阻力主要由膜阻力和液相阻力组成，而通过液相条件控制可以有效减小液相阻力，因此进一步降低传质阻力需要膜技术的发展。

关键词：疏水性聚四氟乙烯中空纤维膜；臭氧；接触式反应器；传质中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）02-1089-09Analysis of the mass transfer mechanism in a hollow fiber membraneozone contact reactorYAO Fuchun 1，2，BI Yingying 1，TANG Chen 2，DU Minghui 1，LI Zeying 1，ZHANG Yaozong 2，SUN Xiaoming 1(1 Key Laboratory of Ecological Industry, Chinese Research Academy of Environmental Sciences State EnvironmentalProtection, Beijing 100012, China; 2 School of Architecture and Civil Engineering, North China University of Science andTechnology, Tangshan 063000, Hebei, China)Abstract: A membrane-contact ozone (O 3) mass transfer technology was developed by assembling hydrophobic PTFE hollow fiber membrane into a membrane contactor. The differences between bubble mass transfer and membrane contact mass transfer were compared. The main influencing factors and mass transfer mechanism of the technology were studied by O 3 mass transfer model and resistance model. The results showed that O 3 can be effectively transferred through the hydrophobic PTFE membrane. When the stirring speed reached 1500r/min, the apparent mass transfer coefficient of membrane mass transfer (0.3049min -1) was comparable to that of bubble mass transfer (0.3109min -1). At the same time, the hydrophobic structure of the membrane surface reduced the humidity of the exhaust gas to below 0.8g/m 3,研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0307收稿日期：2023-03-01；修改稿日期：2023-05-23。

中空纤维膜的制备及性能测试1.1 实验目的1.了解相转化法制备中空纤维膜的工艺过程；2.掌握制备中空纤维超滤膜的基本原理及实验操作技术；3.掌握用于中空纤维膜结构调控的方法。

1.2 实验原理中空纤维膜的制备方法有：湿法、干-湿法、熔融法和干法。

本实验采用干-湿法，过程如下：首先将过滤后的由聚合物、溶剂和成孔剂组成的铸膜液用氮气将釜中料液压出，从环行喷丝头（常用喷丝头的断面结构如图1所示）的缝隙中挤出，同时将芯液注入喷丝头插入管中，经过一段空气浴后，铸膜液浸入凝固浴中发生双扩散：铸膜液中的溶剂向凝固浴扩散以及凝固浴中的凝固剂（非溶剂）向铸膜液中的细流扩散。

膜的内侧和外侧同时发生凝胶化过程，首先形成皮层，随着双扩散的进一步进行，铸膜液内部的组成不断变化，当达到临界浓度时，膜完全固化从凝固浴中沉析出来，将膜中溶剂和成孔剂萃取出，最终得到中空纤维膜。

图1 喷丝头断面结构示意图（a）插入管式；（b）插入柱式；（ｃ）异形喷丝板膜制备工艺参数对膜结构的影响很大。

主要的工艺参数包括：铸膜液的流量、温度、挤出速率、芯液流速、卷绕速度、空气间隙、喷丝头规格等。

1.3 实验原料和设备1. 原料：（1）NMP PVDF PEG6000 吐温-80(2)实验步骤：将116gNMP加入三口烧瓶只中，等溶剂温度到达60°C时加入PVDF36g，等PVDF全部溶解后，再加入PEG6000 38g，加热至70°C，待其溶解后加入吐温-80 10g在70°C恒温加热搅拌9-10小时。

待其冷却后倒出待用。

2. 设备：中空纤维膜纺丝机一台（图2所示），包括如下附件：计量泵（规格为1.2 ml/r），喷丝头，氮气钢瓶等。

1.4 实验过程1. 准备工作：根据膜的结构要求确定膜制备工艺参数，包括聚合物浓度，2. 膜制备过程：适当旋松搅拌轴压盖→在溶解釜加料口加入应加溶剂的3/4 →打开总电源→开动搅拌→溶解釜开始升温→加入聚合物→加入成孔剂→加入剩余1/4溶剂→在60℃搅拌溶解8~10小时→溶解完成后关闭搅拌→静置脱泡12~20小时→脱泡完成后旋紧搅拌轴压盖→通入0.3~0.5 MPa 氮气→打开过滤器阀门（泵座在纺丝前预热0.5小时以上）→开启计量泵（鹅颈管开口向上）→待挤出物料基本没气泡时关闭计量泵→安装喷丝头→开启芯液阀门→开启计量泵→用导丝钩将初生纤维压入凝固浴槽并自另一端引出→卷绕→切割。

中空纤维膜接触器内液液两相分散流传质强化研究中空纤维膜接触器(HFMC)已被广泛应用于化学工程,环境工程,生物工程等领域。

本研究的目的旨在采用液液两相分散流技术提高中空纤维膜接触器的传质效率,为该设备的大规模工业化提供实验和理论支持。

本文系统研究了中空纤维膜接触器内液液两相分散流界面传质过程的强化机理,并提出了相关的传质模型。

通过可视化实验,确定了液液两相分散流所满足的条件；进而将液滴分布离散在2维空间坐标中,获得了流动充分发展段液滴粒径随中空纤维管轴向和径向的分布。

通过改变油水比,流速,管径等参数,进行了同时观测中空纤维入口段和出口段的可视化实验,分析了各个因素对管内液液两相分散流液滴分布行为的影响。

在可视化实验的基础上,获得了分散流液滴粒径分布随中空纤维轴向的发展变化,为传质模型的建立提供了理论基础和数据支持。

采用TBP/去离子水体系,考察了不同油水比,搅拌转速,流速和流道直径条件下,中空纤维管程入口和出口的液滴粒径分布。

结合多相流相关理论,分析了不同条件下,液滴粒径分布及随轴向发展变化的成因。

推导了具有空间一维坐标的PBM模型,提出了离散空间坐标的高阶矩守恒分区法,模拟了中空纤维管内液液两相分散流的液滴粒径分布随轴向的连续变化。

结合可视化实验所获得的液滴粒径分布,计算得到模型中聚并、破碎的特征参数值,填补了微尺度管道内液液两相分散流研究的空白,为传质机理的研究提供了理论支持。

基于表面更新理论和隐马尔科夫模型(HMM)的思想,提出了中空纤维管内液液两相分散流的传质模型,通过与PBM模型获得的液滴粒径分布随轴向的变化信息相结合,阐述了中空纤维更新液膜的传质强化机理。

以新的视角审视多相流、传质理论和统计模型间的关系,为开发新的基于多相流的传质强化过程打下理论基础。

进行了具有较大管程传质阻力的中空纤维更新液膜实验以验证传质模型的准确性,并考察了两相流速,搅拌转速,油水比,反萃侧和料液侧pH,载体浓度和初始Cr(Ⅵ)浓度对传质性能的影响。

综　述熔融纺丝制备中空纤维膜研究进展胡晓宇,肖长发3(天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室,天津　300160) 摘要:中空纤维膜作为一种重要的分离膜材料,其制备方法一直以来是膜技术研究领域的热点。

相对于溶液法纺丝制膜方法而言,熔融纺丝法具有使用溶剂量少、环境友好、所得中空纤维膜力学性能较优等特点,已成为目前中空纤维膜制备的重要技术之一。

本文根据工艺将熔融纺丝制膜方法区分为熔融纺丝2拉伸法和热致相分离法,分别就这两种方法中空纤维膜的制备技术及致孔机理进行介绍,并对二者的研究历史及现状进行了论述,最后,还指出了熔融纺丝制备中空纤维膜研究领域有待解决的问题。

关键词:熔融纺丝;熔融纺丝2拉伸法;热致相分离法;中空纤维膜;进展中空纤维膜是分离膜领域的一个重要分支,与平板膜等其它形式的分离膜相比较,具有无需支撑体、组件填充密度高、设备结构简单等特点[1],已被广泛应用于气体及液体混合物的分离。

典型的中空纤维膜制备方法有溶液纺丝法(如溶液相转化法)[2]和熔融纺丝法。

溶液法制备中空纤维膜需使用大量溶剂(约占成膜体系的80%左右),所得纤维膜的力学性能较差,还需要对溶剂体系进行回收、分离及循环使用,很容易造成环境污染并恶化劳动条件,所以发展受到限制。

熔融纺丝制膜方法可有效改善上述溶液法纺丝制膜的不足,已经引起学者们的广泛关注。

常用的熔融纺丝制膜方法主要包括熔融纺丝2拉伸法[3,4]及热致相分离法[5]。

1　熔融纺丝2拉伸法111　工艺过程及致孔机理所谓熔融纺丝2拉伸法(Melt2spinningΠcold2stretching,MSCS)是指将聚合物在高应力下熔融挤出,在后拉伸过程中,使聚合物材料垂直于挤出方向平行排列的片晶结构被拉开形成微孔,然后通过热定型工艺使孔结构得以固定。

MSCS法制备中空纤维膜孔结构的形成与硬弹性材料的聚集态结构变化有关[6,7]。

通常MSCS法制备中空纤维膜的工艺流程如图1所示。

PPESK/PEI中空纤维富氮膜的制备及性能研究的开题报告题目：PPESK/PEI中空纤维富氮膜的制备及性能研究1.课题背景及研究意义中空纤维膜由于其具有大通量、高分离效率、易于维护等优点，被广泛应用于水处理、膜反应器、气体分离等领域。

近年来，中空纤维膜作为一种富氮材料，也被用于催化、吸附等领域。

然而，普通中空纤维膜的氮含量较低，难以满足某些应用的需求。

因此，制备PPESK/PEI中空纤维富氮膜，具有重要的研究意义和应用价值。

2.研究内容本研究旨在制备PPESK/PEI中空纤维富氮膜，并对其性能进行研究。

具体内容包括：（1）制备PPESK/PEI中空纤维膜：采用浸涂/事前捻合法制备PPESK/PEI中空纤维膜；（2）表征PPESK/PEI中空纤维膜的结构和形貌：利用SEM、FTIR等手段对PPESK/PEI中空纤维膜进行表征；（3）测试PPESK/PEI中空纤维膜的分离性能：采用透过通量、脱盐率等参数评价PPESK/PEI中空纤维膜的分离性能；（4）测试PPESK/PEI中空纤维膜的氮含量：采用元素分析对PPESK/PEI中空纤维膜的氮含量进行测试；（5）测试PPESK/PEI中空纤维膜的吸附性能：采用染料亚甲基蓝作为模型污染物，对PPESK/PEI中空纤维膜的吸附性能进行测试。

3.研究方法（1）聚合物材料的制备采用原位聚合法；（2）制备中空纤维膜采用浸涂法/事前捻合法；（3）利用SEM、FTIR等手段表征PPESK/PEI中空纤维膜的结构和形貌；（4）采用透过通量、脱盐率等参数测试PPESK/PEI中空纤维膜的分离性能；（5）采用元素分析测试PPESK/PEI中空纤维膜的氮含量；（6）采用染料亚甲基蓝作为模型污染物，对PPESK/PEI中空纤维膜的吸附性能进行测试。

4.预期研究成果及意义（1）成功制备出PPESK/PEI中空纤维富氮膜；（2）对PPESK/PEI中空纤维膜进行表征和性能测试，探究膜的结构、形貌、分离性能、氮含量和吸附性能等；（3）预计所制备的膜用于催化、吸附等领域，并可为中空纤维膜的改性提供参考。