中空纤维膜的性能影响分析及其调整方法

文_廖香红 德蓝水技术股份有限公司

1 中空纤维膜的检测原理

本文利用中空纤维膜丝中空的特点，测试了膜丝的泡点压力及内外径，在外压0.1MPa下对膜丝的纯水通量和脱除特定组分的能力即截留率进行测试见图1，利用原料的高机械强度，测试膜丝的拉伸性能。

图1 中空纤维膜丝纯水通量及截留测试原理示意图

2 中空纤维膜性能的检测及影响因素分析

2.1 膜丝内外径测试

将膜丝用刀片切下约0.1cm长的一截，将其平放在桌面上，调整膜丝圈使其恢复圆形，利用读数显微镜测试其内外径，内径范围0.7～0.8nm，外径范围1.27～1.37nm，根据图1所示的原理读数，数据如表1所示。

表1 两种纯料及混合料的膜丝内外径数据表格

0.70/1.30 0.64/1.28 0.72/1.32 0.71/1.32 0.76/1.44 0.68/1.30 0.71/1.34 0.74/1.35 0.71/1.35 0.66/1.26 0.70/1.30 0.70/1.30

2.2 纯水通量测试

取一段膜丝，将膜丝一端插在针头上，并用绳绑紧，另一端打折后用绳绑紧，量取两端绳结间的长度，将多余部分剪掉，制成小组件备用；水浴锅加热至25℃，恒温使用，记录纯水的温度及初始TDS值。将备好的膜丝小组件以快插形式连接在纯水测试仪上，当压力表达到0.1 MPa时使用量筒接取针管中流出的液体1min，根据公式计算出纯水通量，跟标准作对比。膜面积的计算如公式（1）所示：

式中A—膜面积，m2；N—中空纤维膜根数；D—中空纤维膜直径（内压膜为内径，外压膜为外径），m；L—中空纤维膜有效长度，m。

纯水通量的计算如公式（2）所示：

式中F—纯水通量，L/(m2·h)；Q—纯水透过量，L；A—膜面积，m2；t—收集纯水透过量所用的时间，h。

测试中，分别对两种原料的纯料及混合料所产的膜丝做了测试，数据如表2所示。

表2 两种纯料及混合料的纯水通量测试数据表格

通过表2可以看出，不同来源的原料纯水通量存在明显差异，2号原料的通量最高，混合料液的通量最低，故原料对于膜丝纯水通量的影响较大。因此，可以通过对原料的选择，使膜丝的纯水通量更好，性能更优异。

2.3 聚乙二醇截留率测试

按HY/T050-1999中标准的规定配制pH4.8乙酸-乙酸钠缓冲溶液备用；碘化铋钾溶液（Dragendoff试剂）需现用现配，使用次硝酸铋、无水乙酸、碘化钾及适量纯水进行配置，定容保存在棕色容量瓶中；选择分子量100000的聚乙二醇，配制成5000mg/L的聚乙二醇溶液，作为截留原液备用。将水浴锅替换为装有PEO截留原液的量杯，连接好膜丝小组件，使用小烧杯接取截留液，0.1MPa下运行1～2h，移至容量瓶中稀释定容备用；将稀释500倍的截留原液与截留液移至洗净的50mL容量瓶中，分别加入Dragendoff试剂、乙酸-乙酸钠缓冲溶液、适量纯水定容至刻度线备用；将上述液体于波长510nm下，用1cm比色皿，在紫外可见分光光度计上测定吸光度，蒸馏水为空白，按照公式（3）计算出截留率。

式中Ru—截留率，%；C1—原液中的聚乙二醇浓度，mg/L；C2—透过液中的聚乙二醇浓度，mg/L。

测试中，分别对测试纯水通量的同一根膜丝做了截留率的测试，发现不同原料的截留率差异不太大，但混合料的膜丝因为纯水通量较低，所以导致其截留率也较低。

2.4 泡点压力测试

将测试完纯水通量的膜丝小组件连接在泡点压力测试仪上，将膜丝完全浸入水中，转动旋钮，使压力上升，至膜丝出现第一个小水泡，从压力表上读数，数据如表3所示。

表3 两种纯料及混合料的泡点压力数据表格

从表3可以看出，不同原料的膜丝泡点压力差异也较为明显，混合料所产的膜丝泡点压力最好，可以达到0.6，且达到压力表最高值0.6时，膜丝还未出现冒泡现象，说明混合料所产得的膜丝泡点压力最优。

2.5 拉伸性能测试

将测试用的膜丝取下浸泡在水中（未浸泡的部分不能进行测试），将膜丝的两端固定在拉伸测试仪上，运行仪器，至膜丝断开立刻停止运行，计算机上联机的软件会将数据计算后显示数据如表4所示，混合料所产得的膜丝拉伸性能最优，最大力可以达到2.755N，总伸长率可达到208.5。

表4 两种纯料及混合料的拉伸性能数据表格

3 调整方法

根据上述内容，具体的调整方法有将喷丝零件进行拆卸、清洗、沸水浸煮，即可使喷丝口恢复正常，使膜丝内外径在要求范围内；调整芯液的浓度或向芯液中添加其他物质，来调整膜丝的内外径，以达到调整膜丝性能的目的；调整仪器的运行参数，也可调整膜丝的内外径以及膜丝的一些性质，使得膜丝通量、拉伸性能、泡点压力达到标准要求，截留率得到提升；调整原料液的浓度，改变料液的黏度，调整膜丝结构和出孔率来改变膜丝性能；选择合适的原料及配比，使得膜丝的性能更优异；选择一些改性剂做对比试验，从中选出一种或多种改性剂按照相应比例添加在原料液当中，改变原料的一些性质，达到提升膜丝性能的目的；保持室内的生产温度，使得料液的性质稳定，以保证膜丝的性能。

4 结语

综上所述，本文采用的是聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和二甲基乙酰胺(DMAC)等为原料制成的中空纤维膜为研究对象，在检测该膜丝性能发现的一些影响因素及相应的调整方法。①当发现膜丝内外径出现问题时，应及时检查喷丝口是否堵塞并及时清理，检查芯液浓度并及时调节，达到调节膜丝性能的目的。②当膜丝内外径正常但膜丝的其他性能出现问题时，可以通过调整仪器的运行参数、原料液的浓度等方法，改变膜丝的结构、出孔率及一些化学反应，提升膜丝的性能。③选择合适的原料、原料配比及改性剂，保持好室内的生产所需的温度和湿度，使得原料液的物化性质更稳定、更优异。