Hilera de membrana de fibra hueca de doble capa con un solo orificio

5. Tipo de procesamiento: NIPS (separación de fases inducida sin solventes; la hilera debe controlar con precisión las velocidades de extrusión sincronizadas y la unión interfacial de dos dopes, lo que determina directamente la adhesión entre capas y la estabilidad del rendimiento).

6. Aplicación: Protección del medio ambiente, purificación de agua (los casos de uso incluyen: tratamiento de efluentes industriales con flúor provenientes de la fabricación de productos electrónicos, que retienen fluoruros e iones de metales pesados; purificación avanzada de agua potable municipal, que elimina cianotoxinas y compuestos orgánicos; y pretratamiento para desalinización de aguas salobres/islas, que retiene sólidos suspendidos y coloides).

7. Especificación: 1,6/1,3/1,1/0,6/0,4 (unidad: mm. Los cinco canales anidados corresponden a zonas funcionales: 1,6 = canal de dope externo para capa externa de PVDF antiincrustante; 1,3 = canal de dope interno para capa interna de PVDF de alta selectividad; 1,1 = canal de fluido/porógeno de orificio externo para ajustar el tamaño de poro de la capa externa; 0,6 = canal de fluido/porógeno de orificio interno para ajustar el tamaño de poro de la capa interna; 0,4 = canal de porógeno de soporte central para garantizar la estabilidad estructural de la fibra hueca).

8. Capacidad de fabricación: 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; concentricidad de montaje 0,003 mm (la estructura de cinco capas requiere una concentricidad extremadamente alta para evitar el desplazamiento de la interfaz entre los dos dopes que podría causar la delaminación de la capa; la precisión supera ampliamente las hileras estándar de una sola capa).

9. Material de la hilera: acero inoxidable (acero inoxidable 304 con tratamiento de solución y electropulido; rugosidad de la superficie Ra ≤ 0,8 μm, equilibrando la resistencia a la corrosión del dope PVDF que contiene DMAC y un flujo de dope suave).

10. Material de aplicación: PVDF (fluoruro de polivinilideno) (resina de PVDF de alta pureza, pureza ≥ 99,5 %. La capa exterior está modificada para mejorar la antiincrustación (ángulo de contacto superficial ≤ 65°) y la formulación de la capa interior está ajustada para una alta selectividad (tamaño de poro de 0,01 a 0,02 μm). La hilera debe adaptarse con precisión a las diferentes características de flujo de las dos resinas de PVDF).

11. Notas adicionales: El principal reto de una hilera de fibra hueca compuesta de un solo orificio y doble capa reside en el control coordinado de cinco canales, que garantiza la extrusión sincronizada de las dos capas de aditivos (diferencia de caudal ≤ 2 %), evitando la mezcla prematura del porógeno y el aditivo, y controlando con precisión la relación de espesor de las dos capas (requisito del cliente: exterior:interior = 1:1,2). Es un dispositivo clave para la I+D de membranas de alta gama en la purificación de agua ambiental mediante el proceso NIPS.

12. Proceso detallado de colaboración y obtención de valor para el cliente

(1) Antecedentes del cliente y principales problemas

Antes de su adquisición en 2017, Century Water enfrentaba dificultades técnicas en proyectos hídricos ambientales en el Sudeste Asiático. Sus membranas monocapa de fibra hueca de PVDF, utilizadas anteriormente, presentaban tres problemas al tratar aguas altamente contaminadas (por ejemplo, efluentes de productos electrónicos con fluoruro y aguas municipales eutróficas):

● Antiincrustante insuficiente: los compuestos orgánicos y coloides se adsorben fácilmente en la superficie de la membrana, lo que causa una disminución del flujo del 35 % en tres meses y requiere una limpieza química semanal (ácido cítrico + hipoclorito de sodio), lo que aumenta los costos de los productos químicos y acorta la vida útil de la membrana.

● Compensación entre selectividad y flujo: lograr una mayor retención de contaminantes de moléculas pequeñas (por ejemplo, iones fluoruro, cianotoxinas) requería poros más pequeños, lo que reducía el flujo y no podía satisfacer las demandas de aguas residuales industriales de alta carga.

● Mala estabilidad de la capa: los intentos de desarrollar por cuenta propia membranas de doble capa fracasaron porque las hileras convencionales no podían controlar con precisión la unión interfacial de las dos capas, lo que condujo a la delaminación de la capa.

Para abordar estos problemas, Century Water propuso desarrollar "membranas de fibra hueca compuestas de doble capa", centradas en una hilera de un solo orificio capaz de: (i) extrusión sincronizada precisa de dos dopes diferentes para asegurar una unión interfacial firme; (ii) combinar alta selectividad (tamaño de poro de la capa interna 0,01–0,02 μm) con alto flujo (≥ 55 LMH); y (iii) antiincrustante mejorado.

(2) Solución técnica personalizada y avances en los puntos críticos

En respuesta, Trustech diseñó una solución especializada en torno a la "coordinación de cinco canales" y la "compatibilidad NIPS", resolviendo los desafíos principales:

● Control de precisión de la estructura de cinco capas: Se utilizó un centro de mecanizado de precisión de 5 ejes (precisión de posicionamiento ±0,0002 mm) para el mecanizado integrado de los canales de 1,6/1,3/1,1/0,6/0,4 mm. Tras el mecanizado, se verificaron el diámetro y la redondez de cada canal mediante interferometría láser para garantizar una desviación por capa ≤ 0,002 mm. Mediante el método de posicionamiento del eje de referencia + calibración multidimensional, se controló la concentricidad del conjunto de cinco capas con una precisión de 0,003 mm, evitando así la desviación entre la interfaz y el dope.

● Optimización del flujo de dope coordinado: se utilizó CFD para simular el flujo de dos dopes de PVDF (por ejemplo, viscosidad de dope modificado externo 3500 cP; viscosidad de dope de alta pureza interno 30 000 cP), optimizando los ángulos de entrada y la geometría de salida (salida elíptica para reducir el cizallamiento), manteniendo la diferencia de tasa de extrusión dentro del 1,5 % para asegurar una unión interfacial firme.

● Diseño de equilibrio de flujo y antiincrustante: para la capa exterior antiincrustante, la pared interior del canal de dope exterior se pulió a Ra = 0,08 μm para reducir la resistencia al flujo, lo que resultó en una superficie de membrana exterior más lisa (ángulo de contacto reducido a 62°). El control preciso del caudal del canal de porógeno interno (en relación con el flujo de dope interno) ajustó el tamaño de poro de la capa interna a 0,015 μm, logrando una alta retención (rechazo de iones fluoruro del 92 %) y un alto flujo (62 LMH).

(3)Resultados de la aplicación y colaboración profundizada

Tras la entrega de la hilera por parte de Trustech en agosto de 2017, Century Water logró importantes avances en la I+D y la aplicación de membranas compuestas de doble capa. Las membranas de doble capa producidas cumplieron los objetivos: alto rechazo de fluoruro y cianotoxinas por la capa interna, flujo de la capa externa de 62 LMH a 0,1 MPa y menor pérdida de flujo al tratar aguas residuales de productos electrónicos con fluoruro.