中空纤维膜制备方法与应用

中空纤维膜是指毛细管状、具有分离特性的功能纤维材料。与板式膜、管式膜等相比，中空纤维膜具有比表面积大、自支撑性好、膜组件装填密度高、占地面积小、分离过程能耗低以及不产生二次污染等特点，是一类重要的分离膜材料。为实现污水资源化和水环境治理，当前中空纤维膜分离技术发展迅速，已成为水处理领域深受关注的核心技术，同时在化工、医药、生物、食品、电子、能源等领域的应用范围也不断扩大，成为促进传统产业升级和新兴产业发展的重要技术手段，也为节能减排、清洁生产、提升系统效率等提供了有力的技术支撑。近年来，我国中空纤维膜市场规模稳步增长，其中水处理领域的中空纤维膜产值约占 89.3%，中空纤维膜产能超过 1亿平方米/年，从事中空纤维膜研发、设计、生产的企业近 200家。虽然我国已经成为中空纤维膜生产和应用大国，但制造技术、产品种类和质量水平等与发达国家相比仍有较大差距。本书的编写，旨在促进我国中空纤维膜分离技术和膜产业的进步与发展。
本书系统介绍了中空纤维膜制备方法方面的研究成果、基础理论及其应用。全书共分10章。第1章绪论介绍了分离膜的相关定义和基本原理，阐述了中空纤维膜国内外发展状况、制膜原料与制膜的基本方法，以及中空纤维膜结构与性能的表征等。第2章介绍了溶液相转化法制备中空纤维膜基本原理，阐述了聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯等聚合物中空纤维膜的制备方法以及膜结构与性能。第3章介绍了熔融纺丝-拉伸制膜的基本原理，阐述了聚丙烯、聚乙烯中空纤维膜制膜工艺以及膜结构与性能。第4章介绍了热致相分离法制膜基本原理，阐述了聚偏氟乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、含氟共聚物等中空纤维膜制备方法以及膜结构与性能。第5章介绍了熔融纺丝-拉伸界面致孔法的基本原理以及在制备聚偏氟乙烯中空纤维膜、聚全氟乙丙烯中空纤维膜方面的应用。第6章介绍了凝胶纺丝-烧结法、糊料挤出-拉伸法和包缠法制备聚四氟乙烯中空纤维膜的基本原理及其应用。第7章介绍了以中空纤维多孔基膜为增强体的中空纤维复合膜制备方法以及膜结构与性能。第8章介绍了以纤维或纤维集合体为增强体的纤维增强型中空纤维膜制备原理、工艺特点和几种纤维增强型中空纤维膜的结构与性能。第9章介绍了中空纤维反渗透膜制备的基本原理及其应用。第10章介绍了无机中空纤维膜制备的基本原理和常用方法以及应用示例等。
 全书由肖长发、安树林、刘振等著。具体编写分工如下：第1章由肖长发执笔；第2章由安树林、李先锋执笔；第3章由刘振、张宇峰执笔；第4章由李先锋、李娜娜、刘海亮、刘振执笔；第5章、第6章由黄庆林执笔；第7章由刘海亮、石强、肖长发执笔；第8章由王纯、肖长发执笔；第9章由陈凯凯、孟建强执笔；第10章由谭小耀执笔。全书由肖长发主编和统稿，安树林、刘振负责校对工作。本书的编写，得到了省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室的支持，权全博士、黄岩博士和张泰、冀大伟、闫静静、程金雪博士研究生等对本书的完成也都作出贡献。
本书许多内容凝结着“纤维新材料”团队暨教育部“全国高校黄大年式教师团队”多年来的研究工作积累和国家自然科学基金、国家重大基础研究计划（973）、国家高技术研究计划（863）等项目(课题)成果，力求兼顾专业性、科学性、实用性和通俗易懂，期望在传播中空纤维膜科技知识的同时，为推进我国中空纤维膜产业的创新发展作出积极贡献。在此，谨向给予本书相关研究工作支持的国家自然科学基金委、科技部、教育部等部门以及参与相关研究和本书编写工作的教师、工程技术人员、学生一并表示衷心的感谢！
迄今，国内未见有关中空纤维膜方面的专门书籍问世。本书抛砖引玉，希望为我国中空纤维膜分离技术的科学普及与推广应用发挥积极作用。限于作者的水平和能力，书中难免存在疏漏之处，敬请读者批评指正。

肖长发
2023年2月

中空纤维膜作为重要的分离膜材料，相关技术发展迅速，已成为水处理领域深受关注的核心技术。本书充分反映了中空纤维膜分离技术领域的前沿和焦点问题，主要介绍了中空纤维膜的基本理论、制备方法及其应用，包括溶液相转化法、熔融纺丝-拉伸法、热致相分离法、熔融纺丝-拉伸界面致孔法、聚四氟乙烯中空纤维膜、中空纤维复合膜、纤维增强型中空纤维膜、中空纤维反渗透膜、无机中空纤维膜等，还重点阐述了中空纤维膜结构与性能关系等内容。
本书以作者多年工作积累与实践经验为基础，具有较强的理论性、科学性、系统性，兼具实用价值和独创性。本书对纤维材料、材料科学与工程，以及化工、环境、水处理等领域的科研和工程技术人员有较强的借鉴与参考作用，同时也可作为高等院校相关专业的教学参考书。

第1章绪论 001
1.1引言001
1.1.1分离与分离膜001
1.1.2膜的结构与性能002
1.1.3膜的分类004
1.1.4膜的发展概况007
1.2中空纤维与中空纤维膜010
1.2.1中空纤维010
1.2.2中空纤维膜012
1.3膜的分离机理014
1.3.1渗透的类型014
1.3.2膜分离过程016
1.3.3膜内的基本传质形式017
1.3.4膜的传输机理018
1.3.5浓差极化与膜污染021
1.4制膜原料023
1.4.1有机成膜聚合物024
1.4.2无机制膜原料033
1.5中空纤维膜制备方法039
1.5.1有机膜制备方法039
1.5.2无机膜制备方法053
1.6中空纤维膜结构与性能表征057
1.6.1形态结构057
1.6.2分离性能065
1.6.3热稳定性和化学稳定性066
1.6.4亲 疏水性067
1.6.5力学性能067
参考文献068

第2章溶液相转化制膜方法 072
2.1引言072
2.2基本原理073
2.2.1热力学描述073
2.2.2动力学描述074
2.3纺丝工艺特点076
2.3.1纺丝工艺076
2.3.2微孔结构的工艺控制077
2.4应用实例078
2.4.1聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜078
2.4.2聚砜中空纤维膜087
2.4.3聚醚砜中空纤维膜091
2.4.4聚丙烯腈中空纤维膜103
2.4.5聚氯乙烯中空纤维超滤膜108
2.5结论与展望115
参考文献115

第3章熔融纺丝-拉伸制膜方法 118
3.1引言118
3.2基本原理118
3.3熔融纺丝-拉伸制膜工艺 120
3.4应用示例122
3.4.1聚丙烯中空纤维膜122
3.4.2聚乙烯中空纤维膜131
3.5结论与展望139
参考文献139

第4章热致相分离制膜方法 141
4.1引言141
4.2基本原理142
4.2.1TIPS制膜方法简介142
4.2.2聚合物与溶剂相容性理论基础145
4.2.3热力学基础146
4.3应用示例151
4.3.1聚偏氟乙烯中空纤维膜151
4.3.2聚丙烯中空纤维膜158
4.3.3超高分子量聚乙烯中空纤维膜163
4.3.4含氟共聚物中空纤维膜183
4.4结论与展望191
参考文献191

第5章熔融纺丝-拉伸界面致孔制膜方法 195
5.1引言195
5.2基本原理195
5.2.1界面195
5.2.2界面致孔196
5.3纺丝制膜工艺特点198
5.4应用示例199
5.4.1聚偏氟乙烯中空纤维膜199
5.4.2聚全氟乙丙烯中空纤维膜201
5.5结论与展望207
参考文献208

第6章聚四氟乙烯中空纤维膜制备方法 209
6.1引言209
6.2基本原理209
6.3应用示例211
6.3.1凝胶纺丝-烧结法聚四氟乙烯中空纤维膜211
6.3.2糊料挤出-拉伸法聚四氟乙烯中空纤维膜214
6.3.3包缠法聚四氟乙烯中空纤维膜217
6.4结论与展望221
参考文献222

第7章中空纤维复合膜制备方法 223
7.1引言223
7.2工艺技术特点223
7.2.1多孔基膜复合法223
7.2.2双层共挤出复合制膜法224
7.2.3多孔基膜界面聚合法225
7.3应用示例226
7.3.1同质增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜226
7.3.2同质增强型聚氯乙烯中空纤维膜237
7.3.3聚酰胺中空纤维复合纳滤膜254
7.4结论与展望259
参考文献260

第8章纤维增强型中空纤维膜制备方法 262
8.1引言262
8.2基本原理262
8.3工艺技术特点263
8.3.1连续纤维增强型中空纤维膜263
8.3.2编织管(网)增强型中空纤维膜264
8.4应用示例267
8.4.1同质纤维增强型醋酸纤维素中空纤维膜267
8.4.2同质纤维增强型聚对苯二甲酰对苯二胺中空纤维膜274
8.4.3同质纤维增强型聚间苯二甲酰间苯二胺中空纤维膜277
8.4.4同质纤维增强型聚丙烯腈中空纤维膜279
8.4.5异质纤维增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜284
8.5结论与展望287
参考文献287

第9章中空纤维反渗透膜制备方法 289
9.1引言289
9.1.1中空纤维反渗透膜发展概况291
9.1.2制膜原料292
9.2基本原理294
9.2.1相转化法294
9.2.2界面聚合法295
9.2.3增塑纺丝法296
9.3纺丝制膜方法296
9.3.1相转化法297
9.3.2界面聚合法297
9.3.3增塑纺丝法299
9.4应用示例302
9.4.1二醋酸纤维素中空纤维反渗透膜302
9.4.2界面聚合法中空纤维复合反渗透膜303
9.4.3加捻纤维束增强型三醋酸纤维素中空纤维反渗透膜304
9.5结论与展望306
参考文献306

第10章无机中空纤维膜制备方法 310
10.1引言310
10.2基本原理311
10.2.1膜前驱体的制备311
10.2.2高温烧结成膜312
10.3纺丝制膜方法314
10.3.1制膜材料选择314
10.3.2铸膜液配制315
10.3.3中空纤维膜前驱体制备316
10.3.4中空纤维膜烧结317
10.4应用示例319
10.4.1Al2O3中空纤维多孔膜319
10.4.2LSCF中空纤维透氧膜322
10.4.3金属Ni中空纤维膜326
10.5结论与展望333
参考文献333

附录 336
附录ⅠD试剂在中空纤维超滤膜测试中的应用336
附录Ⅱ反渗透膜评价及储存339
附录Ⅲ致密中空纤维膜气密性测定343

参考文献344