海岛纤维平板膜正文.docx

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海岛纤维平板膜正文

海岛纤维平板膜开纤条件的研究及性能测试

摘要

我国水资源贫乏，不少城市都存在用水严重紧张的问题，同时随着人民生活水平的提高，对水质也提出更高的要求，希望能够饮用到更优质水。

此外，海水的淡化处理和高纯水的生产，这些都是社会发展的需要，以上问题都可以通过膜分离技术来解决。

本文对应用海岛纤维开纤制平板膜进行了研究。

本次实验以四种不同的海岛纤维布作为研究对象，氢氧化钠溶液作为水浴溶液，进行正交开纤水浴实验。

研究了水浴温度、碱液浓度、水浴时间等因素对海岛纤维布开纤率影响的实际情况，从而分析得出碱减量法处理海岛纤维开纤的最佳工艺条件，通过实验得出：

1）在利用正交实验法做开纤水浴的过程中，各个控制条件，包括水浴温度、碱液浓度和水浴时间，各条件值的增加，均能提高海岛纤维的失重率。

其中碱液浓度的提升对于开纤效果最显著。

通过分析各个因素对处理效果的影响，得出了最佳开纤条件，即水浴温度95℃，碱液浓度4%，水浴时间9.5h，在这个水浴条件下海岛纤维的失重率可以达到37.56%。

2）从电镜扫描照片中可以看出，虽然将海岛纤维开纤后，纤维变细，可是超细纤维仍然像粗纤维那样黏在一起，污染物固然可以被阻拦在超细纤维的缝隙中，可是更多的还是从原编制成布的粗纤维中流出，得不到阻隔，另外，膜通量太大，截留率，色度去除率太低同时证明了这一问题。

所以在没有其他改进方法，诸如采用超声波使超细纤维均匀的震荡开，使其孔径小而均匀。

海岛纤维目前仍然无法用于废水处理中。

关键词：

海岛纤维，碱减量法，开纤条件，膜性能测试

Islandfibersplittingconditionsofflatmembraneresearchand

performancetesting

Abstract

BecauseofChinesewatershortage,manycitiesexcistaseriousproblemoftheshortageofwater,andintermsofÂthepeople'slivingstandardsimproved,waterqualityisalsohigherdemandstogetbetterqualitydrinkingwater.Inaddition,seawaterdesalinationandtheproductionofhighlypurewater,whicharetheneedsofsocialdevelopment,theseproblemscanberesolvedthroughthemembraneseparationtechnology.

Byunderstandingthenatureoftheislandfibers,characteristicsofislandfibersplittingtechniquesandfibertechnologyresearchislandandabroad,ontheapplicationoffibersplittingtheislandflatmembranesystemwasstudied.Theexperimentusefourdifferentislandsfiberclothastheresearchobject,usesodiumhydroxidesolutionasbathsolutionanddotheorthogonalsplittingwaterbathexperiments.thestudyOfthewaterbathtemperature,alkaliconcentration,bathtimeontheislandfibersplittingrateoftheactualsituation,foranalyzethetreatmentbasereductionobtainedislandfibersplittingtheoptimumconditions,obtainedbyexperiment:

（1）madeintheuseoforthogonalexperimenttheprocessofsplittingwaterbath,allcontrolconditions,includingwatertemperature,alkaliconcentrationandbathtime,increasethevalueofvariousconditions,couldincreasetheweightlossfiberisland.Whichincreasetheconcentrationofalkalisplittingforthemostsignificanteffect.Byanalyzingthevariousfactorsontreatmenteffect,splittingtheoptimumconditions,thewaterbathtemperatureof95℃,theconcentrationof4%NaOH,waterbathtimeof9.5h,theislandinthewaterbaththefibercanreach37.56%weightloss.

（2）scanningelectronmicroscopephotographscanbeseen,though,aftersplittingtheislandfiber,fiberthinning,butstillultra-finefibersthatsticktogetherascrudefiber,pollutantscancertainlybeblockedinthegapmicrofiber,butmoreorcompiledfromtheoriginalintheoutflowofcrudefibercloth,notblocking,theother,toomuchflux,retention,colorremovalrateistoolowandprovestheproblem.Therefore,nootherimprovementsinthemethods,suchastheultra-finefibersusingultrasonicshockevenopen,sothatsmallanduniformporesize.Islandfiberisstillnotavailableforwastewatertreatment.

Keywords:

islandfiber,basereductionmethod,splittingconditions,themembraneperformancetest

目录

第一章绪论6

1.1引言6

1.2.1MBR膜组件分类6

1.2.2平板膜比中空纤维膜的优势7

1.3.1海岛纤维的性质8

1.3.2海岛纤维开纤工艺的介绍9

1.3.3碱减处理法的影响因素10

1.34国内外超细纤维应用研究现状11

1.3.5超细纤维的应用12

1.4课题研究内容及技术路线13

1.4.1课题研究内容13

1.4.2技术路线13

第二章实验系统及研究方法14

2.1实验材料及实验装置14

2.1.1实验主要材料与试剂14

2.1.2实验仪器与设备14

2.2实验过程中各实验条件的控制14

2.3实验分析项目及测试方法14

2.3.1失重率的测定14

2.3.2膜厚度的测定15

2.3.3膜通量的测定15

2.3.4截留率的测定15

2.3.5色度去除率的测定16

2.3.6电镜扫描16

2.4实验步骤16

2.4.1实验步骤16

第三章海岛纤维制平板膜的实验结果分析17

3.1正交实验17

3.2性能测试22

3.2.1膜物理性质测定22

3.2.2膜通量数据处理23

3.2.3截留率数据处理24

3.2.4色度去除率处理25

3.2.5电镜扫描25

3.3本章小结26

第四章海岛纤维平板膜实验中遇到的问题27

4.1水浴问题27

4.1.1浴液蒸发27

4.1.2烧杯翻倒28

4.2膜性能测试中所产生的问题28

第五章结论29

参考文献30

致谢32

第一章绪论

1.1引言

近几十年来，用于废水再生和再利用的膜技术在北美和欧洲得到迅速发展；当前中国水处理工业如同十多年前的北美和欧洲一样，正经历着相似的变革。

更加突出的是，膜技术的创新更快，竞争更激烈。

促使膜系统技术更成熟，成本大幅度降低，使膜处理技术变成广为关注的、经济实用的方法。

　　但是，膜技术在北美和欧洲的快速发展中也经受了许多挑战和教训！

例如，由于早期膜制造及工程技术不够成熟，膜系统容易出现断裂，淤堵，污堵等许多问题，结果导致换膜频繁和系统运行不稳定！

有时，即使膜系统可以运行，但是能耗高，化学品消耗高，而且需要经常仔细的维护。

工程界曾经一度对膜系统在废水再生和再利用中的推广和应用相当谨慎。

因此为了改进和加强膜系统的性能和可靠度，对膜系统进行了大量的技术工程优化研究，积累了大量成功的经验。

海岛纤维作为一种新一代的合成纤维，由于其手感柔软、光泽柔和、良好的悬垂性、透气性、柔韧性、吸水性、吸油性等性质，在化纤、纺织、织造、印染、服装、工业纺织品应用方面，有着一席之地，现在，由于海岛纤维在特定条件下能溶解成更细的超细纤维，能够过滤细微的颗粒，使其在膜领域上的运用成为可能。

1.2平板膜研究现状

1.2.1MBR膜组件分类

从膜结构主要是指MBR反应器内的膜组件的。

设计一种膜，要有比较大的比表面积，同时能在高污泥浓度的环境下避免膜表面产生过渡的淤积，又要能够长时间在曝气冲刷的环境下稳定工作。

膜组件是MBR的核心部分，目前工程化应用中的膜构型主要是中空纤维膜组件和平板膜组件。

平板膜与中空纤维膜具有不同的特点，适用范围也有区别。

平板膜具有水力学条件易于控制、产水量大、抗污染能力强和清洗更换方便等特点，能够在更高污泥浓度条件下保持高通量稳定运行。

截止2006年，据不完全统计在世界范围内运行的MBR达2259套，其中平板膜生物反应器的比例占到了68%。

然而，在中国平板膜生物反应器的工程化应用程度还很低，明显滞后于中空纤维膜生物反应器。

1.2.2平板膜比中空纤维膜的优势

（1）更好的抗污染性能

相比中空纤维膜生物反应器，平板膜生物反应器可以在更高的活性污泥浓度下保持高通量（通量即膜的产水量）的稳定运行。

在实际使用的过程中，尽管预处理设施中会有格栅，除毛机等设备，但曝气池中还难免进入一些诸如毛发之类的物体。

而我们知道在曝气的状态下膜丝始终处于一个抖动的状态，于是这些毛发很容易使膜丝缠绕在一起，当污泥浓度达到一定程度，就会出现泥坨，使越来越多的膜丝缠绕在一起，大大减少了中空纤维丝的有效膜面积，引起膜通量的急剧下降，而且此类问题也很难修复，通常只能更换。

平板膜生物反应器的适用活性污泥浓度（MLSS）范围在10000-15000mg/L，远远高于中空纤维膜生反应器，平板膜的结构，可以实现膜片之间间隙可控，便于气液混流对膜面进行在线清洗，抗污染性能优越。

此外，平板膜生物反应器可以通过调节组件底部的曝气强度，通过气水混合物在膜片表面的冲刷作用，很好的清除膜表面的附着物，即便是由于某种不可知因素在膜表面产生了淤积的情况，也可以将膜片取出，通过低压水枪冲洗的方法去除，使得膜能长期有效的运行，而中空纤维则不可能通过这种方法清洗。

（2）良好的机械稳定性、无断丝现象

在实际使用过程中，中空纤维膜组件不可避免的会发生断丝现象，其中包括两种原因，一是由于纺丝过程中的缺陷导致的壁厚不均匀，当然这种情况比较少发生，且可以通过购买优质产品等手段进一步避免；二是纺丝材料疲劳引起的根部断裂。

我们知道中空纤维丝在两端连接组件的地方需要用环氧树脂进行密封，由于纤维丝本身的毛细现象，肯定会在根部吸上一小段。

由于曝气的原因，中空纤维在工作状态下始终会处于幅度较大的振动现象，长此以往会在其根部引起材料的疲劳，而环氧树脂本身是一种脆性材料，这种材料疲劳所导致的断丝一旦发生，往往是规模性的，而这对于膜生物反应器来说，伤害是致命的，不但会严重影响出水水质，还会导致整个组件的报废。

与此不同的是平板膜的内部有无纺布作为支撑层，因此强度比中空纤维高出许多，根本不会出现类似的现象，能完全保证优质的出水水质。

（3）清洗方法更加便捷，清洗周期更长。

平板膜生物反应器可通过控制组件底部的曝气系统的曝气量，对膜片表面进行有效的水力冲刷，防止在抽吸过程中污泥在膜表面过度淤积，在运行过程中就对膜表面的污染起到控制作用。

而平板膜组件的化学清洗（在线清洗）也更加简单，只需要把调配好的药剂从抽吸口回灌入膜片中，浸泡一段时间即可，不像中空纤维膜组件，需频繁地将膜组件取出进行反冲洗。

同时，相对于中空纤维-膜生物反应器，平板膜生物反应器的清洗周期更长，清洗周期可达3个月以上，且如果工作压力始终处于比较低的状态，甚至可以不清洗。

平板膜组件还可以通过物理清洗的方法使膜通量得到恢复，而这对于中空纤维膜几乎是不可能的。

（4）寿命长，运行费用低

据不完全统计，现在市场上的中空纤维膜平均寿命为2年左右，意味着2年就会有很大的膜更换率。

而市场上平板膜的平均寿命都在5-7年，不需频繁的更换膜片，相对来说运行费用大大降低，且保证了良好的运行状况。

平板膜具有高强度的支撑体，膜损伤程度低，更换率低；同时平板膜可以实现单张更换，更换成本也相对降低。

（5）膜片更换过程简单

由于平板膜组件独特的设计，使得在膜片损坏更换过程中，膜片可单张更换，无需更换支架。

而中间纤维膜丝断丝达到一定数量，整个组件就报废，需更换整个膜组件，费用就将大大增加。

1.3海岛纤维以及开纤工艺的介绍

1.3.1海岛纤维的性质

海岛型纤维是制造超细纤维的一种主要方法。

它是由一种聚合物作为母体（即海相）,另一种聚合物以细纤维（岛相）形式分布于母体的纤维。

海岛型纤维也称原纤—基质型复合纤维,其岛相组分为原纤结构,海相组分为无定形结构。

在横截面方向上原纤结构的组分包埋于无定形结构组分上,似海岛形式分布,在纤维纵向上两种组分的聚合物连续密集、均匀分散。

从整根纤维来看,它具有常规纤维的线密度和长度[1]。

用化学溶剂把“海”成分溶解掉,就可得到根数众多的集束状的超细纤维。

目前用海岛型纤维可以生产出单丝线密度仅0.01dtex的超极细纤维,海岛型纤维内超细纤维根数即“岛”的数量,一般有16、24、36、64岛等几种规格。

以聚酯/水溶性聚酯（PET/COPET）海岛型纤维为例。

此海岛型纤维的岛相为聚酯（PET）,海岛丝的海相为水溶性聚酯（COPET）。

水溶性聚酯是一种新型聚合物,水溶性聚酯结构不同其水溶性也不同,即使结构相同,经不同的纺丝工艺后,溶解性能也不同。

水溶性聚酯结构上比较疏松,在沸水或热碱水溶液中容易降解而迅速溶解脱离。

但温度太低时其水溶性大大降低（与其玻璃化温度有关）[2]。

COPET子链中引入间位结构磺酸基团,使其内部结构不如PET那么紧密,故聚合物在热碱水中受OH-作用,大分子间的作用力减小,逐渐溶胀、溶解、水解。

PET/COPET海岛型纤维经碱处理最后溶去全部纤维中的海相高分子,剩下岛相

PET高聚物,即达到开纤的目的，其开纤前后横纵截面见图1-1,1-2。

图1-1海岛纤维开纤前后横截面图

图1-2海岛纤维开纤前后纵截面图

1.3.2海岛纤维开纤工艺的介绍

开纤剥离的种类

涤锦复合超细纤维的开纤剥离方法主要有酸处理法、碱处理法、机械处理法以及热处理法。

（1）酸处理法

涤/锦复合超细纤维两组分之间存在一定的粘合力,在处理过程中,两组分因其性能不同产生收缩差异,从而减小界面粘合力使其分离。

在酸处理法中,涤/锦复合超细纤维中的两种组分对酸处理剂有不同的溶胀率,界面产生内应力,减少界面的粘合力,两种组分得以剥离开来。

（2）碱减量处理法

碱减量处理法亦是减小两组分间的粘合力,从而使其分离。

通常采用的碱减量处理剂是氢氧化钠。

碱减量对复合超细纤维来说是一种常用的化学剥离方法,其剥离机理比较复杂,是渗透部分纤维表面、刻蚀,及涤锦两组分在碱液中收缩不同的综合结果。

（3）机械处理法

机械处理在涤锦复合超细纤维的分离过程中也起到了非常重要的作用。

在化学处理过程中辅以机械作用,有利于涤锦超细纤维的分离。

一方面可以协同表面活性剂促使碱沿涤锦界面进行,另一方面可以使已开纤的超细纤维发生位置改变,有利于刚度值的下降。

（4）热处理法

热处理方法包括干热处理和湿热处理,在热作用下,涤锦组分沿纤维轴向产生收缩而发生分离。

对纤维进行干处理时,随温度的上升大分子链段热运动趋向活跃,大分子间的相互作用减弱、自由内旋转增多,引起大分子沿轴向收缩。

但是,不同的纤维因其结构的差异,热性能也有明显的不同。

涤锦两纤维的玻璃化温度不同,因此可以选择湿热处理温度介于两者的玻璃化温度之间。

在此种处理条件下,纤维发生溶胀,水对锦纶大分子的溶胀作用在纤维的分离中起主要作用。

溶胀引起纤维轴向收缩,两组分收缩的差异在超细纤维两组分间产生一个剪切力,从而使其发生分离。

1.3.3碱减处理法的影响因素

在对海岛纤维针刺非织造布的碱处理过程中发现,影响其失重率的因素有很多,如浴比、碱液质量浓度、碱处理时间、温度和促进剂的使用等。

其中碱液质量浓度和处理温度是影响失重率的2个主要因素。

一般来说,在其它条件相同时,碱液质量浓度和处理温度越高,时间越长,浴比越大,失重率越高。

水解反应基本完成时,失重率不再随之增大而增大。

针刺非织造基布碱减量处理的最佳方案为:

浴比1∶40,碱液质量浓度10g/L,处理温度95℃,时间30min。

碱减量处理后的基布纵横向断裂强力有所增大,且横向断裂强力增大较多;撕裂强力先减小后又略有增大。

1.34国内外超细纤维应用研究现状

1963年，美国杜邦公司向市场推出了用单丝纤度1.1dtex的纤维制成的人造皮革“Corfam”，1964年日本可乐丽研制成功了制鞋用人造皮革“Clarino”这些可能是早期的微细纤维产品。

1965年，日本钟纺公司在双组分单层复合的基础上开发了多层复合纤维，制成的织物在后整理时纤维的两组分裂离而分裂成更多、更细的微纤维，1970年日本东丽公司首先向市场推出了海岛型超细纤维制造的人造鹿皮织物“Eosaina”;1972年日本钟纺公司开发了溶离型涤/锦复合纤维“Behma”，用碱将聚醋溶去后，得到四根三角形聚酞胺超细纤维：

1977年钟纺公司在“Belima”的基础上开发一r单丝纤度0.11dtex的“BelimaX”；1978年到1979年是超细纤维纺织品急剧发展的时期，日本一些公司开发了超细纤维仿皮革制品[8]，如三菱人造丝公司的“olove”、帝人公司的“Hilake”、钟纺公司的“Lammuse”。

进入80年代，随着复合纺丝技术日趋成熟，复合形式也更加多样，被裂离的纤维纤度更细，1981年日本可乐丽公司开始工业化生产超细纤维人造皮革；1982年钟纺利用超细纤维制成高密织物，另外日本帝人、旭化成和德国、意大利均有类似超细纤维产品问世。

美国DllPont公司、英国ICI公司、德国Houchist公司，以及东欧、前苏联及中国、韩国也相继加入了超细纤维的开发与研究这一行列。

我国在80年代末攻关项目“超细纤维及其产品的研究”首次通过国家鉴定，并批量生产了单丝纤度为O.ZOdtex的涤一锦复合超细纤维。

同时开发成功了仿桃皮绒织物、高级仿丝绸、仿鹿皮制品、洁净布等产品[9]。

真正意义上的超细纤维的发展是从复合纺丝技术的成功开发为起点的，其发展历程大致可分为以下3个阶段。

第一阶段:

20世纪70年代。

这是超细纤维发展的第一次高潮，这一阶段的研究如何制造超细纤维，因此称为超细纤维制造的基础技术确立时代。

第二阶段:

1981一1985年。

是以超细纤维应用为目的的商品开发时代，超细纤维的发展总是和其商品的应用开发相互促进、共同发展的。

第三阶段:

1986年以后至今.该阶段是超细纤维发展的第二次高潮，主要探索超细纤维所具有的特性、功能和感觉性。

这一阶段的研究工作为进一步开发超细纤维在更广泛领域内的应用提供了依据，为获得更细的超极细纤维，某些研究工作又重新回到超细纤维生产技术的原始研究阶段。

目前国际上对超细纤维的研究和开发进展很快，尤其是日本、美国及西欧各国超细纤维产品的研制和生产已取得显著成效。

在日本已经形成了以超细纤维为基础的众多新型综合技术产品。

超细纤维这几年全世界的用量每年以10%以上的速度递增，发达国家增长的更快，特别是美国近几年超细纤维的增长率为60%，而涤纶超细纤维的产量占总产量的42%。

我国超细纤维的发展也十分迅速，目前仅复合型超细纤维的生产能力就达到13一14万吨/年”。

1.3.5超细纤维的应用

超细纤维在纺织领域中得到了迅速发展和应用，其应用领域涉及到了仿真丝面料、中高档服装面料、超高密织物、仿桃皮绒织物、人造鹿皮、医疗防护织物、纸制品等。

作高效清洁布不但用于眼镜片、摄像机等光学镜头、高级家具、漆器、玻璃制品等各种物品的表面清扫，而且还用于高科技领域如IC、精密机械工业的净化室中，这是因为其具有杰出的揩拭能力。

目前，国内生产的清洁布已接近国外同类产品水平，超细纤维织物还可用做液体或空气过滤材料、医务工作服、无尘衣。

通过熔喷法可获得超细纤维非织造布，是优质的防细菌屏障，常用于制造外科手术包、手术用工作服等医用防护服。

超细纤维可用于制造人造羽绒、无纺布保温材料、用于做吸液材料（如吸水剂、吸油剂）、电池隔离材料和化学缩合膜。

目前还在开发其他用途，如利用它良好的生物相容性，制作人工膜、人造血管、人工脏器等以取代人体的组织，利用其防水、透湿性可制作建筑材料、油水分离用布、打字机色布、吸水快干毛巾、餐巾等，利用其化学反应性，可制作快速应答型凝胶纤维、耐热化学试剂等。

1.4课题研究内容及技术路线

1.4.1课题研究内容

利用已经织好的海岛纤维布，将其通过碱减量处理法进行开纤，研究碱溶液浓度、浴比、温度、处理时间、促进剂等开纤条件对失重率的影响，之后测试开纤后平板膜的性能，包括膜厚度，膜孔隙率，水通量，截留率，电镜扫描。

研究其结果。

探讨其在废水处理领域使用的可能性。

1.4.2技术路线

本课题的技术如下图1-3所示：

图1-3技术路线图

第二章实验系统及研究方法

2.1实验材料及实验装置

2.1.1实验主要材料与试剂

海岛纤维布四种（从某家纺织企业获得，纤维组分为PVT），氢氧化钠（杭州恒鑫达化工有限公司），牛血清蛋白一支（分子量67000，含量>=13.5%,干燥失重<=5%,水溶解试验：

合格，吸光度（kg/L，415nm）<=