高性能分离膜界面聚合静态反应装置

高性能分离膜界面聚合静态反应装置

 ,1韩健,1李举平,2,伊春海 ,1李瑜

1西安航天华阳机电装备有限公司 陕西西安  710100，2西安交通大学 陕西西安  XXX

摘要：界面聚合反应是高性能分离膜致密分离层成型的关键工艺，静态反应装置是界面聚合反应成膜的重要场所，直接影响高性能分离膜的产品性能。本文从静态反应装置、界面聚合反应对高性能分离膜的影响以及静态反应装置改进展开详细论述。

关键词：分离膜 界面聚合 静态反应装置

高性能分离膜具有高分离性能、高稳定性、低成本和长寿命等特征，是膜分离技术的核心，在解决水资源、环境问题、能源问题等方面发挥着重大的作用。《中国制造2025》路线图中，明确指出了作为关键战略材料的高性能分离膜材料的发展重点方向，包括海水淡化反渗透膜、陶瓷膜、离子交换膜、渗透汽化膜等产品，并明确了各自产品的战略发展目标。高性能分离膜尤其是复合膜，聚合反应阶段对制备工艺相要求高，同时对设备的静态反应单元要求更高。

1实验部分

1.1实验材料

基膜：140-150um聚醚砜微孔膜，自制；间苯二胺（MPDA）：分析纯，Aladdin公司；均苯三甲酰氯：分析纯，Aladdin公司； Isopar G ：工业级，埃克森美孚公司，其它均为市场销售产品。

1.2高性能分离膜制备

将一定量的间苯二胺和少量添加剂溶于去离子水配制成水相溶液，将一定量均苯三甲酰氯溶解于Isopar G中配制成有机相溶液。把以无纺布为基体的聚醚砜微孔膜表面水分除干净后，浸入水相溶液中一定时间，出水相后进入温湿度平衡区，经过一定时间，通过狭缝挤出方式将有机相溶液均匀涂覆在膜表面，然后进入静态反应区进行成膜。聚合反应后形成的高性能分离膜经处理后备用。

1.3复合膜性能测试

配制质量浓度浓度：500ppm的NaCl水溶液为测试原液，在0.7MPa、室温下预压30min，测定分离膜性能。其中渗透通量和脱盐率分别按（1）和（2）计算：

F=V/(A•t) ....................................（1）

其中：F-水通量，L/（m2•h）；

A-t时间内收集透过液的体积，L；

t-收集V体积的透过液所用的时间，h。

R=（1-Kp/Kt)×100%；..........................（2）

其中：R-脱盐率，%；

Kp-透过液电导率，uS/cm；

Kt-测试液电导率，uS/cm；

2结果与讨论

2.1界面聚合机理

    界面聚合反应是高性能分离膜分离层形成的关键，是通过两种具有一定反应活性的单体或预聚物分别溶于两种互补相容的液体中，当二者产生接触时，在两相的界面处发生聚合反应形成一层具有致密分离功能的聚合物膜的过程，该聚合物膜通常称为高性能分离膜的分离层或复合膜的功能层。反渗透复合膜是高性能分离膜最典型的一种，通常将含胺基单体如间苯二胺溶于去离水中形成水相溶液，将含酰氯基单体如均苯三甲酰氯溶液有机溶剂（正己烷、异构烷烃）中形成有机溶液。

2.2界面聚合反应的影响因素

（1）两相溶液单体的种类和浓度

控制水相和有机相单体的浓度，使分离层具有不同的端基浓度，直接影响界面聚合效应。高性能分离膜的性能是有聚合反应形成的功能层决定的，通过调整控制水相、有机相中的单体浓度来实现高性能分离膜最佳参数。通常随着胺基浓度增加，脱盐率迅速增加，渗透通量逐渐降低。当浓度增加到一定值时，渗透通量和脱盐率趋于稳定。单体酰氯基浓度增加，高性能分离膜的脱盐率先增高，然后增加变缓慢，达到最大值后呈下降趋势，其渗透通量先下降，然后下降变缓慢，最后呈下降趋势。

（2）界面聚合反应温度

界面聚合反应，随温度升高，单体的扩散速率增加，界面溶解气体的释放速率增加，孔隙率增加。对于致密分离的孔隙率要求小，不需要高温，一般室温下进行聚合反应，温度对界面结合效果影响不大。

（3）界面聚合反应时间

界面聚合时间越长，高性能分离膜功能层厚度增加 ，渗透通量会随之降低；界面聚合时间越短，高性能膜单体间交联程度过低，高性能膜分离膜功能层成膜较差，脱盐率大大下降。因此可以通过控制适宜的聚合反应时间来确保高性能分离膜的脱盐率和渗透通量。

（4）静态反应装置

静态反应装置时高性能膜聚合反应的场所，当两种不相容溶剂在静态反应区内发生聚合反应的过程中，料膜运行必须平稳，这也是高性能分离膜成膜质量的关键因素，往往容易被忽视。[1]传统聚合反应装置结构料膜通过环状料膜支撑带传动带动料膜运行，无法实现平稳送料，同时环状料支撑带传动过程中的抖动会影响涂布质量、导致界面聚合反应效果，以致影响高性能分离膜的产品性能。

    为有效解决了水处理复合膜成型界面聚合静态反应单元旧结构中环状料膜支撑带运行过程中抖动引起料膜抖动的问题，创造性的研发出了新的静态反应装置，其具体结构，由精密辊系支撑、聚合反应腔、导向机构、同步机构、涂布头、调节气缸、精密调节电机、精密调节部、涂布底辊、导向棍构成。精密辊系支撑采用轻质合金材料，精密辊直径为Φ10mm～Φ30mm ,辊间间距为30mm～100mm。聚合反应腔内无风、无压力，保持一定的温度和湿度。该反应装置具体如图3，

可使料膜在该设备单元中平稳运行，在膜表面聚合反应生成性能更好的功能层，确保了高性能分离膜质量稳定性和产品性能。

2.3性能测试

表1  传统静态反应装置与新结构静态反应装置性能测试结果

3结论

界面聚合静态反应装置是高性能膜成膜的重要场所，对高性能膜的界面聚合反应效果有很大的影响，通过采用新结构的静态反应装置，确保了高性能分离膜的质量稳定性和产品性能。

参考文献：

[1]卢世雄...李举平等，一种水处理复合膜成型界面聚合静态反应装置， 202011061231.5[P]. 2020.9.30