基本信息
- 项目名称：
- 电纺高强超细功能纤维膜的制备及其在染料废水处理中的应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 高强超细功能纤维膜的特色 (1)结合乳液聚合技术、辅助电场与热处理方法，通过静电纺丝技术制备出致密均匀、性能优良的聚苯乙烯纤维膜，并对其进行高温高压增强与功能化处理，获得具有高比表面积的阳离子交换纤维膜。 (2)与通常电纺纤维膜相比，本作品阳离子交换纤维膜致密均匀、强度高，再生性强。
- 详细介绍：
- 高强超细功能纤维膜的特色 (1)结合乳液聚合技术、辅助电场与热处理方法，通过静电纺丝技术制备出致密均匀、性能优良的聚苯乙烯纤维膜(已申请国家发明专利《聚苯乙烯静电纺丝溶液》，申请号200810025309.0)，并对其进行高温高压增强与功能化处理，获得具有高比表面积的阳离子交换纤维膜。 (2)与传统的离子交换与吸附功能纤维相比，静电纺丝制得的超细纤维比表面积大，染料吸附与分离作用效率高和速度快，将吸附处理后的纤维毡在一定浓度的十二烷基苯磺酸钠溶液中脱附，可多次重复使用。与通常电纺纤维膜相比，本作品阳离子交换纤维膜致密均匀、强度高，再生性强。将材料制备新技术与膜分离技术有机结合，将有效地加快各类化工、印染废水处理技术开发。 高强超细功能纤维膜的创新之处 (1) 这种纤维膜的水通量与超滤、微滤膜接近，且膜渗透阻力小，但超滤、微滤膜对染料无分离效果。 (2) 纤维膜染料分离效果与纳滤膜相当，即吸附分离效果好，而这种膜在常压进行吸附分离，而不是像纳滤膜的那样高压下运行。 (3) 这种纤维膜孔径远大于染料分子尺寸，染料分子截留是基于范德华力和离子键作用，因此，这种膜污染现象少；而纳滤膜孔尺寸小，其分离机理基于体积排除作用与道南效应，膜污染现象严重。 (4) 与普通的离子交换与吸附纤维相比，这纤维膜表面积大，吸附分离效率高、速度快，吸附膜再生时间短、易于洗脱。 (5) 由于这种高强超细功能纤维膜的活性基团为磺酸根与苯环基团，可用于应用于许多类型的工业废水处理，如含有阳离子染料、分散染料、还原染料、过渡金属离子、有机小分子化合物等废水吸附与分离处理。 (6) 高强超细功能纤维膜生产工艺简单，投资成本低，原料成本低于2元人民币/m2，而超滤膜市场售价1200元人民币/m2，纳滤膜售价更高，可见高强超细功能纤维膜市场前景广阔。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、设计发明目的和基本思路 本发明主要目的是获得具有高强度、高比表面积、致密均匀、吸附分离效率高、速度快，吸附膜再生时间短、易于洗脱的超细功能纤维膜。 基本思路：首先合成高分子量聚苯乙烯，通过静电纺丝技术制备出致密均匀、性能优良的聚苯乙烯纤维膜，然后进行增强与功能化处理，获得具有高强超细功能纤维膜。利用功能纤维膜进行合成染料废水吸附及吸附膜再生处理，在此基础上设计出染料废水处理用膜分离实验装置，初步探讨功能膜动态吸附处理效果。 2、创新点 采用自制的高分子量聚苯乙烯、增加辅助电场、高温高压增强热处理等方法提高纤维膜的力学性能，从而可直接将纤维膜应用于模拟阳离子红染料废水静态、动态吸附处理；在国内外首次选用十二烷基苯磺酸钠对吸附阳离子红染料纤维膜进行再生处理。 3、技术关键和主要技术指标 技术关键：制备高强、高通量吸附分离纤维膜；吸附膜再生处理与重复使用。 主要技术指标： （1）粘均分子量：不小于40×104 g/mol（乌氏粘度计法）； （2）聚苯乙烯纤维膜拉伸性能：强度不小于 4Mpa; 断裂伸长率不小于0.5%； （3）磺化纤维膜平衡吸附量：不小于45mg/g（酸性环境，50ppm阳离子红溶液）； （4）吸附膜首次再生率：不小于 65%。
科学性、先进性
- 1.科学性：本作品基于聚苯乙烯合成与静电纺丝、膜增强与磺化处理、功能膜吸附分离与再生等技术来处理印染废水。所得功能纤维膜的拉伸强度为4.5Mpa，膜孔尺寸介于纳米与微米尺度之间，孔隙率大于70％，染料去除率大于95％，平衡吸附量49mg/g，再生后的吸附量达到首次吸附量的67%。纤维膜集中了微滤膜、超滤膜和纳滤膜的优点。 2.先进性：(1)与超滤膜相比，此纤维膜的水通量接近，渗透阻力小，但超滤膜对染料无分离效果。 (2)与纳滤膜相比，此膜染料吸附分离效果好，且在常压进行，纳滤膜则需高压下运行。 (3)纳滤膜孔尺寸小，膜污染现象严重，但此种膜孔径远大于染料分子尺寸，染料分子截留是基于范德华力和离子键作用，故膜污染现象少。 (4)与离子交换与吸附纤维相比，此种膜表面积大，吸附分离效率高、速度快，易于再生。 (5)由于此种功能纤维膜的活性基团为磺酸根与苯环基团，除处理阳离子染料废水之外，还可处理许多其它类型的工业废水。
获奖情况及鉴定结果
- （1）《磺化电纺聚苯乙烯超细纤维膜的制备及其结构与性能》，苏州大学学报（工科版）（已录用）。 （2）《SDBS对聚苯乙烯电纺行为及纤维毡的影响》，高分子材料科学与工程（EI收录）（已录用）。 （3）《辅助电极对聚苯乙烯电纺分裂行为的影响》，苏州大学学报（工科版）（已录用）。 （4）聚苯乙烯静电纺丝溶液，国家发明专利，公开号：CN101260571A。 (5)苏州旭光聚合物有限公司与项目组达成合作开发协议。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 希望技术入股，对产品与市场联合开发。
作品可展示的形式
- 模型和样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- (1) 这种高强超细功能纤维膜使用方法与超滤和微滤膜基本相同，但其吸附分离机理及作用与后两者明显不同。 (2) 高强超细功能纤维膜集高分子量聚苯乙烯合成、电纺、膜增强与磺化处理技术于一体，制得高强超细功能纤维膜；将功能纤维膜直接应用于阳离子染料吸附与再生处理，其吸附分离作用显著、膜再生效果好。 (3) 高强超细功能纤维膜表面积巨大，膜阻力小，水通量大，染料分离效果好，膜污染少，吸附与分离作用效率高、速度快，再生时间短、易于洗脱，可重复使用。 (4) 高强超细功能纤维膜可广泛应用许多类型工业废水的处理，如含有机小分子化合物、阳离子染料废水吸附分离处理。 (5) 据初步分析，染料废水处理的市场容量超过100亿，如果高强超细功能纤维膜分离技术的市场占有率以10%算，将有超过10亿的市场容量。 (6)从技术经济层面分析，高强超细功能纤维膜的材料成本仅为2元/平方米，制造过程中溶剂与催化剂等可重复利用，工艺流程短，设备投资省，远远低于超滤膜1200元/ 平方米（参考市场售价）的水平。
同类课题研究水平概述
- 据报道，纺织印染业废水排放量占我国工业废水排放量7.5%，印染废水年排放量约为11.3亿吨。染料废水具有有机物浓度高、色度高、无机盐含量高、成份复杂、可生化性差、脱色困难，一直是工业污水处理中的难点，也是当前国内外水污染控制领域急需解决的难题之一。 染料废水处理方法传统上主要有Fenton法、臭氧氧化法、混凝法、生物处理法、电化学法、物理法、膜分离法。Fenton法存在处理费用高，工艺条件复杂，过程不易控制等缺点。臭氧氧化法会产生急性、慢性毒性副产物，处理成本高。混凝法需要投入大量的混凝剂，运行费用较高，泥渣量多且脱水困难，并且对亲水性染料的处理效果差。生物处理法运行成本较低、效果较好用，对可生化性较高的染料废水BOD去除率较高，但是对色度的去除率却不太理想。电化学法被称为清洁处理法，但能耗、设备成本高，这使电化学法单独应用受到限制。物理法包括活性炭吸附法、膜分离法。尽管活性炭是一种优良的吸附剂，但再生费用昂贵，一般应用于低浓度染料废水处理。膜分离法可实现节水、减污和降耗等作用，但膜污染严重，处理成本高，这阻止了膜分离技术的工业化应用。 近年来，离子交换与吸附纤维在国内外逐渐受到废水处理领域专家学者的关注。电纺超细纤维膜与普通离子交换与吸附纤维相比，其直径更小，比表面积更大，交换速度更快。因此，静电纺丝技术在超细材料制备方面受到普遍重视。 冯淑芹等人在国内外率先将超细电纺纤维应用于模拟阳离子蓝染料废水处理，染料去除率与纤维再生利用进步显著，不过，他们将电纺纤维用作填料，并没有直接利用其膜形式，当然也没有利用其高孔隙率特性，其主要原因在于：电纺膜的力学性能较差。 本作品在参考国内外众多研究成果的基础上，结合高分子量聚苯乙烯合成、电纺、膜增强与磺化等技术，制得超细功能纤维膜。 所得纤维膜同时集中了超滤、微滤与纳滤分离膜的优点于一体。主要表现在： 功能纤维膜表面积巨大，高于普通离子交换纤维；水通量与超滤膜相当；染料分离效果与纳滤膜相当；且避开各自缺点，膜阻力小，膜污染少，吸附与分离作用效率高、速度快，易于再生。 另外，直接将纤维膜应用于模拟阳离子红染料废水静态、动态吸附处理，并在国内外首次选用十二烷基苯磺酸钠对吸附膜进行再生处理，吸附分离与再生效果良好。
