CN103114343B - 一种用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于中空纤维膜领域的一种十九通道中空纤维膜及用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件。喷丝板为复合腔体结构，含有十九根***针管，其中一个位于中央，六个围绕中央，十二个围绕六个分别沿圆周均匀分布。本发明包括盖板、分配板和底板。盖板、分配板和底板均采用内六角螺钉装配，通过定位槽实现各部件同心。十九个针管一端镶嵌于盖板下部中央，另一端突出底板下端一定长度，加热套环抱喷丝板装配。此外，通过针管间及针管与挤出口内壁间距离的调节，可以实现所制备膜材料结构可控。采用本发明能够制备出机械性能优、装填密度高的十九通道中空纤维膜，所制备的十九通道中空纤维膜可用于液体和气体分离。
Description
技术领域
本发明属于中空纤维膜领域，具体涉及一种用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件。通过本发明所得的中空纤维膜适用于气体和液体分离用。
背景技术
中空纤维膜具有单位体积装填密度大、结构简单、无需任何支撑体、易于清洗、低能耗、不产生二次污染等优点，已经广泛应用于大规模海水淡化、医药、食品、化工、污水处理、气体分离等各个领域。目前普遍采用的是单通道聚合物中空纤维膜，由于膜丝强度不足，在应用中不可避免地出现断丝现象，导致整个膜组件失效，进而对整个分离***构成威胁。
喷丝板的作用是将黏流态的高聚物熔体或溶液，通过微孔转变成有特定截面状的细流，经过凝固介质如空气或凝固浴固化而形成丝条。聚合物中空纤维膜制备的关键部件是喷丝板组件。针对该问题，近年来，研究者们着手在喷丝板上进行各种改进，或采用多通道的方式，或采用复合膜的方式，试图克服这些问题。世界专利(WO 2006/012920 A1)报道通过喷丝板的设计，对单通道和多通道膜局部壁厚进行增加，以提高膜强度。但是膜丝间隙的增大会明显降低膜组件装填密度。中国发明专利(CN101920172 A)报道采用三孔喷丝板制备出了聚氯乙烯多通道中空纤维膜，但其喷丝板与传统单孔喷丝板类似，只是增加了针管数量，且由于其断面小孔面积占总断面面积较小，单位膜面积上需要耗费更多的膜材料。为了增加膜强度，又不至于增加过膜阻力，人们考虑由支撑层提供膜强度，而表面功能层提供膜分离性能，这样出现了单通道的复合膜。中国发明专利(CN 101766960 A)报道采用一种复合中空纤维膜的制备方法。该方法采用聚苯硫醚为增强材料，随单通道膜丝同时从喷丝板挤出，植入膜丝支撑层，从而提高膜强度。但由于中空纤维膜壁厚较薄，植入的聚苯硫醚位置容易偏离支撑层，不仅加大了制备难度，也容易造成膜表面功能层缺陷。
一般而言，在中空纤维膜组件的使用过程中，每根膜丝出现断丝的概率是一样的。膜丝结构上由单通道变为多通道，首先，结构强度的增加降低了单根膜丝断丝的概率。其次，通道数的增加意味着同样有效膜面积的组件所需膜丝根数降低，从而进一步降低了组件断丝的概率。2012年，期刊《Desalination andWater Treatment》(脱盐与水处理)第42卷24-29页报道了七通道中空纤维膜外径大小、小孔间隙大小与膜装填密度以及单位膜面积膜材料用量之间的关系。他们发现：当膜小孔直径固定为0.9mm时，七孔膜外径小于4.02mm时能够得到在单位膜面积膜材料用量上少于单通道中空纤维膜。当七孔膜外径小于3.92mm时，其装填密度上大于单通道中空纤维膜。同时，该文献报道了两种多通道中空纤维膜产品：小通道七通道中空纤维膜(外径4.0mm，内径0.9mm)和大通道七通道中空纤维膜(外径6.0mm，内径1.5mm)，其膜丝单位体积膜面积分别为1575m2/m3和1167m2/m3(见表3)。
在原料使用方面，多通道中空纤维膜由于将多根膜丝集成在一起，降低了单位膜面积的原料使用量从而降低了生产成本，是未来制膜的发展方向之一。然而，欲进一步降低原材料使用量，却难以通过降低膜壁厚实现。七孔膜外径进一步降低，会使小孔间隙急剧降低，从而加大七孔膜的制备难度，降低七孔膜结构强度，最终影响膜使用性能和膜寿命。中国专利(CN201216922Y)报道采用聚氯乙烯材料制备出七通道超滤膜，其膜丝外径3.8mm，内径0.7mm。由此可见，其七孔膜外径降低是以减小小孔直径为代价的，这样就降低了单根膜丝的有效膜面积。而且，在实际使用过程中，七孔膜中单孔直径过小，容易造成堵塞或膜污染，影响膜材料的使用效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件。通过喷丝板组件结构的设计与调控，实现所制备的十九通道中空纤维膜单位体积膜面积大、机械性能高，从而解决现有技术存在的中空纤维膜使用过程中容易断丝，而通常多通道单位膜面积材料成本过高、装填面积低等问题。通过本发明所得的中空纤维膜适用于气体和液体分离用。
本发明涉及一种用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，该喷丝板组件包括分配板、盖板和底板，其中，
所述盖板中央植入十九个针管，其中一个针管位于中央，六个针管围绕中央针管在直径三倍于针管外径上沿圆周均匀分布，十二个针管围绕沿圆周均匀分布的六个针管在直径六倍于针管外径的圆周上均匀分布；
分配板中心管道置于底板通孔中，盖板盖在分配板上，盖板和分配板之间、分配板和底板之间均采用不锈钢螺钉连接，在板间接触面配置密封槽，内置密封圈，并在喷丝板边缘配置定位槽结构，从而保证针管、分配板中心管道及底板通孔三者同心；
分配板内腔设有六等份的流体分配结构，分配板中心经中心管道通往喷丝板底部，中心管道直径为针管外径的7-10倍。分配板中心管道内壁抛光处理。
进一步的，所述针管一端镶入盖板中，另一端突出喷丝板底板。
所述针管一端优选镶入盖板中部下表面板体达5–10mm，垂直度高，密封性好。所述针管末端优选突出喷丝板底板1–3mm。
进一步给出针管的外径和长径比，该喷丝板的针管长径比≥20，每个针管外径为0.4-1.5mm。
所述盖板设有主进入口和芯液入口，其中主进入口用于导入铸膜液，芯液入口用于导入内凝固剂。
所述喷丝板组件还可在盖板上集成加热套，所述加热套环抱喷丝板固定，功率100-300W，可使组件温度在10-60℃范围内可控。
所述盖板上可集成温控探头基座，用于连接温控探头实现程序控温。
所述分配板内腔结构设计，根据流体力学原理和浸没相转化成膜机理，采用六等份的扇形柱状结构设计能够实现铸膜液在腔体内由非均匀流向均匀流转变。分配板中心管道内壁抛光处理。
分配板与底板间还可存在一个腔体，腔体中设有类似分配板的六等份流体分配结构，并在底板上设置与该腔体相连的次进入口，所述分配板与底板之间的腔体可导入第二铸膜液或者凝固剂，随盖板与分配板腔体内的铸膜液一同挤出，实现多通道中空纤维膜外表面的结构可设计性。
本发明还提供采用上述喷丝板组件制备的十九通道中空纤维膜。
与现有技术相比，本发明技术优势为：
1)设有分配板扇形柱状结构，保证铸膜液在喷丝板中的有效分配；
2)加大了针管长径比，从而使铸膜液稳定挤出；
3)针管末端突出设计能够防止铸膜液与凝固剂过早接触固化堵塞喷丝板；
4)通过优化喷丝板针管排布位置，调控膜外径、小孔直径、小孔间隙等膜尺寸。采用本发明制备的十九通道中空纤维膜单位膜面积所需的膜丝根数明显降低，单位体积内的膜面积较七通道显著增加，膜强度更高，膜组件断丝率更低。
为了考察单通道与多通道中空纤维膜在机械性能上的差异，参照纺织品卷绕纱单根纱线断裂强力和断裂伸长率测定(GB/T3916-1997)，表2列出了单通道与多通道聚砜中空纤维膜的机械性能。由表2可知，随着通道数的增加，断裂应力成数量级的增加，断裂强力也有明显增加。
表1通道数对膜小孔面积和小孔间隙的影响
表2单通道与多通道聚砜中空纤维膜机械性能
此外，与相同外径(6.0mm)或相同内径(0.9mm)的七通道中空纤维膜相比，发现十九通道中空纤维膜丝单位体积膜面积最高达1900m2/m3(见表3)。制备十九通道中空纤维膜的关键是喷丝板，目前还未见十九通道聚合物中空纤维膜喷丝板组件的相关报道。
表3中空纤维膜内外径、通道数与单位膜体积及膜面积之间关系
综上所述，在七孔膜基础上，进一步增加膜丝的通道数能够既增加膜强度，又降低单位膜面积原料使用量。根据喷丝板机械设计原理和纺丝工艺要求，考虑在七孔膜***分布若干通道，小孔间距不小于小孔半径时膜断面形貌规整，膜强度高。研究发现，在小孔内径和膜丝外径相同条件下，与18通道中空纤维膜相比，19通道中空纤维膜单位膜断面面积中小孔面积更高，分布更合理(见表1)。同样，在相同的小孔内径以及小孔间隙条件下，与20通道中空纤维膜相比，19通道中空纤维膜单位膜断面面积中小孔面积更高。否则，通过减小小孔间隙提高单位膜断面面积中小孔面积将会增加中空纤维制备的难度。
本发明的有益效果为：
本发明为一种用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件。喷丝板为复合腔体结构，含有十九根***针管，其中一个位于中央，六个围绕中央，十二个围绕六个分别沿圆周均匀分布。本发明包括盖板、分配板和底板。盖板、分配板和底板均采用内六角螺钉装配，通过定位槽实现各部件同心。十九个针管一端镶嵌于盖板下部中央，另一端突出底板下端一定长度，加热套环抱喷丝板装配。此外，通过针管间及针管与挤出口内壁间距离的调节，可以实现所制备膜材料结构可控。采用本发明能够制备出机械性能优、装填密度高的十九通道中空纤维膜，所制备的十九通道中空纤维膜可用于液体和气体分离。
附图说明
图1是本发明一种实施例的组合件横截面结构示意图；
图2是喷丝板底板出料口处孔型示意图。
图3–8是本发明的拆件图；
图3是盖板主视图结构示意图；
图4是盖板侧视图结构示意图；
图5是分配板主视图结构示意图；
图6是分配板侧视图结构示意图；
图7是底板主视图结构示意图；
图8是底板侧视图结构示意图；
图中标号：
1-针管；2-加热套；3-分配板；4-密封槽；5-主进入口；6-盖板；7-芯液入口；8-温控探头基座；9-定位槽结构；10-次进入口。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例
一种用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，该喷丝板组件包括分配板3、盖板6和底板11，其中，
所述盖板中央植入十九个针管1，其中一个针管位于中央，六个针管围绕中央针管在直径三倍于针管外径上沿圆周均匀分布，十二个针管围绕沿圆周均匀分布的六个针管在直径六倍于针管外径的圆周上均匀分布；
分配板3中心管道置于底板11通孔中，盖板6盖在分配板3上，盖板6和分配板3之间、分配板3和底板11之间均采用不锈钢螺钉连接，在板间接触面配置密封槽4，内置密封圈，并在喷丝板边缘配置定位槽结构9，从而保证针管、分配板中心管道及底板通孔三者同心；
分配板内腔设有六等份的流体分配结构，分配板中心经中心管道通往喷丝板底部，其中，中心管道直径为针管外径的7-10倍。。
进一步的，所述针管一端镶入盖板中，另一端突出喷丝板底板。
所述针管一端优选镶入盖板中部下表面板体达5–10mm，垂直度高，密封性好。所述针管末端优选突出喷丝板底板1–3mm。
进一步给出针管的外径和长径比，该喷丝板的针管长径比≥20，每个针管外径为0.4-1.5mm。
所述盖板6设有主进入口5和芯液入口7，其中主进入口5用于导入铸膜液，芯液入口7用于导入内凝固剂。
所述喷丝板组件还可在盖板上集成加热套2，所述加热套2环抱喷丝板固定，功率100-300W，可使组件温度在10-60℃范围内可控。
所述盖板上可集成温控探头基座8，用于连接温控探头实现程序控温。
所述分配板3内腔结构设计，根据流体力学原理和浸没相转化成膜机理，采用六等份的扇形柱状结构设计能够实现铸膜液在腔体内由非均匀流向均匀流转变。分配板中心管道内壁抛光处理。
分配板与底板间还可存在一个腔体，腔体中设有类似分配板的六等份流体分配结构，并在底板上设置与该腔体相连的次进入口10，所述分配板3与底板11之间的腔体可导入第二铸膜液或者凝固剂，随盖板与分配板腔体内的铸膜液一同挤出，实现多通道中空纤维膜外表面的结构可设计性。
可采用上述喷丝板组件制备十九通道中空纤维膜。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，其特征在于：该喷丝板组件包括分配板(3)、盖板(6)和底板(11)，其中，
所述盖板中央植入十九个针管(1)，其中一个针管位于中央，六个针管围绕中央针管在直径三倍于针管外径上沿圆周均匀分布，十二个针管围绕沿圆周均匀分布的六个针管在直径六倍于针管外径的圆周上均匀分布；
分配板(3)中心管道置于底板(11)通孔中，盖板(6)盖在分配板(3)上，盖板(6)和分配板(3)之间、分配板(3)和底板(11)之间均采用不锈钢螺钉连接，在板间接触面配置密封槽(4)，内置密封圈，并在喷丝板边缘配置定位槽结构(9)，以保证针管、分配板中心管道及底板通孔三者同心；
所述分配板(3)内腔设有六等份的流体分配结构，分配板中心经中心管道通往喷丝板底部，中心管道直径为针管外径的7-10倍；
所述针管一端镶入盖板中，另一端突出喷丝板底板。
2.根据权利要求1所述的用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，其特征在于：所述针管一端镶入盖板中部下表面板体达5-10mm，所述针管末端突出喷丝板底板1-3mm。
3.根据权利要求1所述的用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，其特征在于：该喷丝板的针管长径比≥20，每个针管外径为0.4-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，其特征在于：所述盖板(6)设有主进入口(5)和芯液入口(7)。
5.根据权利要求1所述的用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，其特征在于：所述喷丝板组件还在盖板上集成加热套(2)，所述加热套(2)环抱喷丝板固定，功率100-300W。
6.根据权利要求1所述的用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，其特征在于：所述盖板上集成温控探头基座(8)，用于连接温控探头实现程序控温。
7.根据权利要求1所述的用于生产十九通道中空纤维膜的喷丝板组件，其特征在于：分配板与底板间还存在一个腔体，腔体中设有流体分配结构，并在底板上设置与该腔体相连的次进入口(10)。
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