Doppellagige Hohlfasermembran Spinndüse mit Einzelloch

5. Verarbeitungsart: NIPS (Nicht-lösungsmittelinduzierte Phasentrennung; die Spinndüse muss die synchronisierten Extrusionsraten und die Grenzflächenbindung der beiden Spinnlösungen präzise steuern, was die Zwischenschichthaftung und die Stabilität der Leistung direkt bestimmt.)

6. Anwendung: Umweltschutz, Wasseraufbereitung (Anwendungsbeispiele: Behandlung fluoridhaltiger Industrieabwässer aus der Elektronikfertigung – Rückhaltung von Fluoriden und Schwermetallionen; fortgeschrittene kommunale Trinkwasseraufbereitung – Entfernung von Cyanotoxinen und organischen Stoffen; und Vorbehandlung für die Brackwasser-/Inselntsalzung – Rückhaltung von Schwebstoffen und Kolloiden).

7. Spezifikation: 1,6/1,3/1,1/0,6/0,4 (Einheit: mm. Die fünf ineinander verschachtelten Kanäle entsprechen Funktionszonen: 1,6 = äußerer Dupierkanal für die antifouling PVDF-Außenschicht; 1,3 = innerer Dupierkanal für die hochselektive PVDF-Innenschicht; 1,1 = äußerer Bohrflüssigkeits-/Porenmittelkanal zur Einstellung der Porengröße der Außenschicht; 0,6 = innerer Bohrflüssigkeits-/Porenmittelkanal zur Einstellung der Porengröße der Innenschicht; 0,4 = zentraler Stützporenmittelkanal zur Gewährleistung der strukturellen Stabilität der Hohlfaser.)

8. Fertigungsgenauigkeit: 1,600±0,002 mm, 1,300±0,002 mm, 1,100±0,004 mm, 0,600±0,002 mm, 0,400±0,004 mm; Montagekonzentrizität 0,003 mm (Die fünflagige Struktur erfordert eine extrem hohe Konzentrizität, um einen Grenzflächenversatz zwischen den beiden Spinnschichten zu vermeiden, der zu einer Ablösung der Schichten führen könnte; die Präzision übertrifft die von Standard-Einschicht-Spinndüsen bei weitem.)

9. Spinndüsenmaterial: Edelstahl (Edelstahl 304, lösungsgeglüht und elektropoliert; Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,8 μm, ausgewogene Korrosionsbeständigkeit gegenüber der DMAC-haltigen PVDF-Spinnlösung und gleichmäßiger Spinnlösungsfluss).

10. Auftragmaterial: PVDF (Polyvinylidenfluorid) (hochreines PVDF-Harz, Reinheit ≥ 99,5 %. Die äußere Schicht ist modifiziert, um die Antihaftwirkung zu verbessern (Oberflächenkontaktwinkel ≤ 65°), und die Zusammensetzung der inneren Schicht ist auf hohe Selektivität abgestimmt (Porengröße 0,01–0,02 μm). Die Spinndüse muss die unterschiedlichen Fließeigenschaften der beiden PVDF-Suspensionen präzise berücksichtigen.)

11. Zusätzliche Anmerkungen: Die zentrale Herausforderung einer einlochigen, zweilagigen Hohlfaser-Verbundspinndüse liegt in der „koordinierten Fünfkanalsteuerung“. Diese gewährleistet die synchrone Extrusion der beiden Spinnlösungen (Flussratendifferenz ≤ 2 %), verhindert das vorzeitige Vermischen von Porenmittel und Spinnlösung und steuert präzise das Dickenverhältnis der beiden Schichten (Kundenanforderung: Außenschicht:Innenschicht = 1:1,2). Sie ist eine Schlüsselkomponente für die Forschung und Entwicklung von High-End-Membranen zur Umweltwasseraufbereitung mittels NIPS-Verfahren.

12. Detaillierter Kollaborationsprozess und Kundennutzenrealisierung

(1) Kundenhintergrund und zentrale Probleme

Vor der Übernahme im Jahr 2017 sah sich Century Water bei Umweltwasserprojekten in Südostasien mit technischen Engpässen konfrontiert. Die zuvor verwendeten einlagigen PVDF-Hohlfasermembranen wiesen bei der Behandlung stark verschmutzter Gewässer (z. B. fluoridhaltige Elektronikabwässer, eutrophiertes kommunales Abwasser) drei Probleme auf:

● Unzureichender Antifouling-Schutz: Organische Stoffe und Kolloide werden leicht an der Membranoberfläche adsorbiert, was innerhalb von drei Monaten zu einem Rückgang des Flusses um 35 % führt und eine wöchentliche chemische Reinigung (Zitronensäure + Natriumhypochlorit) erforderlich macht, was die Chemikalienkosten erhöht und die Lebensdauer der Membran verkürzt.

● Zielkonflikt zwischen Selektivität und Durchfluss: Um eine höhere Rückhaltung von niedermolekularen Schadstoffen (z. B. Fluoridionen, Cyanotoxine) zu erreichen, waren kleinere Poren erforderlich, was den Durchfluss verringerte und den Anforderungen an hochbelastetes industrielles Abwasser nicht gerecht werden konnte.

● Mangelhafte Schichtstabilität: Versuche zur Selbstentwicklung von Doppelschichtmembranen scheiterten, weil herkömmliche Spinndüsen die Grenzflächenbindung der beiden Spinnlösungen nicht präzise steuern konnten, was zu einer Ablösung der Schichten führte.

Um diese Probleme anzugehen, schlug Century Water die Entwicklung von „zweischichtigen Verbundhohlfasermembranen“ vor, deren Kernstück eine passende Einzelloch-Spinndüse bildet, die Folgendes ermöglicht: (i) präzises, synchronisiertes Extrudieren von zwei verschiedenen Dotierstoffen, um eine enge Grenzflächenbindung zu gewährleisten; (ii) Kombination von hoher Selektivität (Porengröße der inneren Schicht 0,01–0,02 μm) mit hohem Fluss (≥ 55 LMH); und (iii) verbesserte Antifouling-Eigenschaften.

(2) Maßgeschneiderte technische Lösungen und Durchbrüche bei der Lösung von Problemen

Als Reaktion darauf entwickelte Trustech eine spezielle Lösung rund um die „Fünf-Kanal-Koordination“ und die „NIPS-Kompatibilität“, um die zentralen Herausforderungen zu bewältigen:

● Präzisionskontrolle der Fünfschichtstruktur: Für die integrierte Bearbeitung der 1,6/1,3/1,1/0,6/0,4 mm Kanäle wurde ein 5-Achs-Präzisionsbearbeitungszentrum (Positioniergenauigkeit ±0,0002 mm) eingesetzt. Nach der Bearbeitung wurden Durchmesser und Rundheit jedes Kanals mittels Laserinterferometrie überprüft, um eine Abweichung pro Schicht von ≤ 0,002 mm sicherzustellen. Durch „Positionierung auf der Bezugsachse + mehrdimensionale Kalibrierung“ wurde die Konzentrizität der Fünfschichtanordnung auf 0,003 mm genau kontrolliert und ein Versatz an der Materialgrenzfläche vermieden.

● Koordinierte Optimierung des Materialflusses: Mittels CFD wurde der Fluss der beiden PVDF-Materialien simuliert (z. B. äußere modifizierte Materialviskosität 3500 cP; innere hochreine Materialviskosität 30.000 cP). Dabei wurden die Einlasswinkel und die Auslassgeometrie (elliptischer Auslass zur Reduzierung der Scherung) optimiert und die Extrusionsratendifferenz innerhalb von 1,5 % gehalten, um eine dichte Grenzflächenbindung zu gewährleisten.

● Design mit Antifouling- und Flussbalance: Für die Antifouling-Außenschicht wurde die Innenwand des äußeren Dope-Kanals auf Ra = 0,08 μm poliert, um den Strömungswiderstand zu verringern und eine glattere Außenmembranoberfläche zu erzielen (Kontaktwinkel auf 62° reduziert). Durch präzise Steuerung der Durchflussrate des inneren Porogenkanals (relativ zur inneren Dope-Durchflussrate) konnte die Porengröße der Innenschicht auf 0,015 μm eingestellt werden, wodurch eine hohe Retention (Fluoridionenrückhaltung 92 %) und ein hoher Fluss (62 LMH) erreicht wurden.

(3) Ergebnisse der Anwendung und vertiefte Zusammenarbeit

Nach der Lieferung der Spinndüse durch Trustech im August 2017 erzielte Century Water bedeutende Fortschritte in der Forschung, Entwicklung und Anwendung von Zweischicht-Kompositmembranen. Die hergestellten Zweischichtmembranen erfüllten die Anforderungen: hohe Fluorid- und Cyanotoxin-Rückhaltung durch die innere Schicht, ein Fluss der äußeren Schicht von 62 LMH bei 0,1 MPa und ein reduzierter Flussabfall bei der Behandlung fluoridhaltiger Elektronikabwässer.