一种电致热中空纤维膜的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种电致热中空纤维膜的制备方法，包括：S1，将纤维和焦耳热元件编织成中空编织管，并以该中空编织管作为电致热中空纤维膜的增强体；S2，将含氟聚合物、无机纳米粒子和有机溶剂经水浴加热、机械搅拌均匀后配制成含氟聚合物溶液，脱泡后得到涂覆液；S3，制备中空纤维膜：采用共挤出纺丝工艺，将中空编织管和涂覆液经环形喷丝头共挤出，使涂覆液均匀涂覆在中空编织管的表面，纺丝速度为0.60‑0.96m·min

Preparation and application of an electrically heated hollow fiber membrane

【技术实现步骤摘要】
一种电致热中空纤维膜的制备方法及其应用
本专利技术涉及膜
，特别是涉及一种电致热中空纤维膜的制备方法、电致热中空纤维膜及其应用。
技术介绍
Bodell于1966年申请了膜蒸馏专利，在专利申请中，他将膜蒸馏描述为“一种将不可饮用水溶液转化为可饮用水的装置和技术”。在膜蒸馏过程中，微孔疏水膜一侧与被加热的水溶液接触，膜的疏水性使水溶液无法向膜孔内渗透，并在每个膜孔的入口处形成气液界面。在气液界面处，易挥发物质(一般是水)蒸发、扩散或对流透过膜，并在系统另一侧(透过液或馏出液)被冷凝或脱除。膜蒸馏推动力的本质加上膜的疏水性至少在理论上保证了对非挥发性溶质如大分子、胶体、离子等100％的截留。此外，不同于反渗透技术，浓差极化现象对其影响较小。膜蒸馏能耗低、截盐率高、操作条件要求低等优点使其具有很好的应用前景。然而，在膜蒸馏过程中，由于热边界层阻力的存在，使得主体溶液和发生气液转化的膜表面之间产生温度差；此外，主体溶液/膜界面处水的蒸发也使得膜表面温度下降，两个原因形成温度极化，导致实际传质推动力减小，渗透通量下降，热效率降低。目前，国内外的研究主要通过太阳能给改性后的膜表面进行加热来抑制温度极化。例如，AntonioPolitano在用非溶剂致相分离法(NIPS)制备聚偏氟乙烯(PVDF)膜的过程中引入具有紫外光致热效应的Ag纳米粒子，然后将负载有纳米Ag的PVDF分离膜用于膜蒸馏过程中，取得不错的效果(AdvancedMaterials.DOI:10.1002/adma.201603504)。然而，实验采用紫外光致热导致能耗较高。除此之外，紫外光透过料液到达膜表面，强度会被削弱，使得致热效率较差。通过电致热来集中提高膜表面温度的研究还未见报道。焦耳热是物理效应，电流在流经电阻时，会产生热能，电流转化为热能的过程称为焦耳热。焦耳加热有许多实际用途，应用于生活的方方面面，例如白炽灯泡发光、用作电熔丝、给食品加热等。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的一个目的是提供一种电致热中空纤维膜的制备方法，以抑制膜蒸馏中出现的温度极化现象。本专利技术的另一目的是提供一种上述方法制备的电致热中空纤维膜。本专利技术的又一目的是提供一种上述电致热中空纤维膜的应用。为此，本专利技术的技术方案如下：一种电致热中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：S1，制备掺杂有焦耳热元件的编织管：采用二维编织技术将纤维和焦耳热元件编织成中空编织管，并以该中空编织管作为电致热中空纤维膜的增强体，其中：所述纤维为疏水聚合物纤维，具有优异疏水性能；所述焦耳热元件为能够低电压通电发热的电阻丝；所述纤维和焦耳热元件的编织比例为(23-24)：1；所述纤维的线密度为65-75tex/24f，编织节距为0.8-1.2mm；S2，制备涂覆液(铸膜液)：将含氟聚合物、无机纳米粒子和有机溶剂经水浴加热、机械搅拌均匀后配制成含氟聚合物溶液，脱泡后得到涂覆液，所述含氟聚合物、无机纳米粒子的质量分数分别为13-17％和4-6％，余量为有机溶剂，所述纳米无机粒子为疏水性氧化物粒子；S3，制备中空纤维膜：采用共挤出纺丝工艺，将所述中空编织管和涂覆液经环形喷丝头共挤出，使所述涂覆液均匀涂覆在中空编织管的表面，纺丝速度为0.60-0.96m·min-1，纺丝温度为65-75℃，经过6-10cm的空气浴后进入15-35℃的凝固浴中，充分固化后得到中空纤维膜；S4、后处理：将所制得的中空纤维膜放入蒸馏水中浸泡36-48h，除去残留溶剂，冷冻干燥后得到所述电致热中空纤维膜。优选的冷冻干燥时间为6h。优选的是，步骤S1中，所述疏水聚合物纤维为聚全氟乙丙烯纤维(FEP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维或聚丙烯(PP)纤维，或其中至少两种按任意比例掺杂的复合长丝。优选的是，步骤S1中，所述焦耳热元件为镍铬合金(Cr20Ni80)电阻丝(NRW)或碳纤维长丝(CF)，或其它具有相似性质的电阻丝。所述电阻丝的丝径为0.08-0.12mm，所述碳纤维长丝的单纤直径为5-9μm。优选的是，步骤S2中所述含氟聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)。更优选的是，所述含氟聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)，其分子量为40-60万，结晶度为60-80％。优选的是，步骤S2中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。优选的是，步骤S2中所述疏水性氧化物粒子为疏水性纳米二氧化硅(SiO2)，其粒径为30-50nm。在本专利技术的一个实施例中，在步骤1中采用24锭编织机，其中1锭由相同长度的焦耳热元件和纤维合股成一锭，其余23锭为纤维，编织节距可以设置为1mm，机器转速设置为200-800r·min-1。还可以在24锭编织机中，采用纤维23锭、焦耳热元件1锭。在本专利技术的另一实施例中，焦耳元件在编织机正中央，24锭均为纤维。步骤3)中，制备电致热中空纤维膜的具体过程如下：(1)将FEP/NRW中空编织管固定在装置上，穿过同心圆喷丝头内的圆孔，校正定位位置，将中空编织管连接到卷绕辊上，定位装置的作用是保证纺丝过程中电致热PVDF/NRW中空纤维膜的同心度，从而防止中空纤维膜出现偏心现象而导致表面铸膜液涂覆不均匀；(2)将预先制备好的PVDF铸膜液导入料釜中，铸膜液依次经过计量泵、同心圆喷丝头外环，被挤出后均匀涂覆在FEP/NRW中空编织管外表面，经过一定距离的空气间隙后，浸入凝固浴固化成型，制备得到初生电致热PVDF/NRW中空纤维膜。其中，涂覆工艺的参数为：喷丝头内径1.8-2.3mm，凝固浴温度15-35℃，辊筒频率2-5Hz，循环水温度为65-75℃。本专利技术还提供一种由上述制备方法制得的电致热中空纤维膜。一种上述电致热中空纤维膜在膜蒸馏中的应用，其方法为：用直流电源给所述电致热中空纤维膜提供电流，通电电流范围为0.1-0.3A。与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：1、本专利技术将焦耳热元件编织进中空纤维编织管中，对中空编织管进行表面涂覆后，制备得到可用于膜蒸馏过程的电致热中空纤维膜。不同于其它膜改性方法，本专利技术整个膜制备过程操作简单，容易实施；2、本专利技术采取焦耳加热的方式，能够很便捷地集中给膜表面进行加热，而且加热温度可以通过调节电压大小控制，操作便捷；3、本专利技术所得中空纤维膜即使在通电电压很低的情况下，也能显著提高膜表面温度，因此能耗很低；4、以用本专利技术所制备的电致热中空纤维膜进行膜蒸馏实验，通电后膜表面的温度明显升高，有效地抑制了膜蒸馏过程中的温度极化现象，提高膜蒸馏效率。附图说明图1是本专利技术实施例1、2中编织管的编织方法示意图；图2是本专利技术实施例3中编织管的编织方法示意图；图3a是本专利技术实施例1、2制备的电致热中空纤维膜的结构示意图；图3b是本专利技术实施例3制备的电致热中空纤维膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电致热中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：/nS1，制备掺杂有焦耳热元件的编织管：采用二维编织技术将纤维和焦耳热元件编织成中空编织管，并以该中空编织管作为电致热中空纤维膜的增强体，其中：/n所述纤维为疏水聚合物纤维，所述焦耳热元件为能够低电压通电发热的电阻丝；/n所述纤维和焦耳热元件的编织比例为(23-24)：1；/n所述纤维的线密度为65-75tex/24f，编织节距为0.8-1.2mm；/nS2，制备涂覆液：将含氟聚合物、无机纳米粒子和有机溶剂经水浴加热、机械搅拌均匀后配制成含氟聚合物溶液，脱泡后得到涂覆液，所述含氟聚合物、无机纳米粒子的质量分数分别为13-17％和4-6％，余量为有机溶剂，所述纳米无机粒子为疏水性氧化物粒子；/nS3，制备中空纤维膜：采用共挤出纺丝工艺，将所述中空编织管和涂覆液经环形喷丝头共挤出，使所述涂覆液均匀涂覆在中空编织管的表面，纺丝速度为0.60-0.96m·min

【技术特征摘要】
1.一种电致热中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备掺杂有焦耳热元件的编织管：采用二维编织技术将纤维和焦耳热元件编织成中空编织管，并以该中空编织管作为电致热中空纤维膜的增强体，其中：
所述纤维为疏水聚合物纤维，所述焦耳热元件为能够低电压通电发热的电阻丝；
所述纤维和焦耳热元件的编织比例为(23-24)：1；
所述纤维的线密度为65-75tex/24f，编织节距为0.8-1.2mm；
S2，制备涂覆液：将含氟聚合物、无机纳米粒子和有机溶剂经水浴加热、机械搅拌均匀后配制成含氟聚合物溶液，脱泡后得到涂覆液，所述含氟聚合物、无机纳米粒子的质量分数分别为13-17％和4-6％，余量为有机溶剂，所述纳米无机粒子为疏水性氧化物粒子；
S3，制备中空纤维膜：采用共挤出纺丝工艺，将所述中空编织管和涂覆液经环形喷丝头共挤出，使所述涂覆液均匀涂覆在中空编织管的表面，纺丝速度为0.60-0.96m·min-1，纺丝温度为65-75℃，经过6-10cm的空气浴后进入15-35℃的凝固浴中，充分固化后得到中空纤维膜；
S4、后处理：将所制得的中空纤维膜放入蒸馏水中浸泡36-48h，除去残留溶剂，冷冻干燥后得到所述电致热中空纤维膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述疏水聚合物纤维为聚全氟乙丙烯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或聚丙烯纤维。

【专利技术属性】
技术研发人员：黄庆林，宋亮，程金雪，肖长发，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12