6. 比较研究
6.1. 抗拉强度和断裂伸长率
机械强度值较高是由于在制造阶段引入的钢筋材料，这增加了HFMs[136]的使用寿命。一般来说，这种HFM的选择性和渗透性取决于所产生的薄膜层[137]的性能和微观结构。根据文献 道的结果，增强的HFM表现出多种力学行为。为了更好地实现增强HFM的拉伸强度和断裂伸长率，本节进行了比较讨论。表2和图25根据 告的实验数据对传统和强化HFM进行了比较概述。对比图25是基于表1中的数据和从文献中提取的部分实验结果。
表2. 关于传统和强化HFM的比较概述
可以清楚地看到，传统的抗拉强度低于增强的抗拉强度。在增强型HFM中，编织增强型具有非常宽的抗拉强度范围，从~15到高达~170MPa。换句话说，只有通过将编织物加入到HFM的基体中，才能达到大于100MPa的抗拉强度。如此广泛的抗拉强度取决于各种因素，如编织的材料和类型、聚合物的类型和浓度、编织与基聚合物的热化学相容性等。灯丝/丝纹增强后的拉伸强度为~5到~100MPa，而多孔基体增强后的拉伸强度为~6到~20MPa
图25. 传统的和增强的HFM在断裂范围内的拉伸强度和伸长率
与传统膜相比，将编织物引入HFMs基体有三个独特的优势：首先，编织物作为过滤层的支撑，大大提高了膜的机械强度。较高的抗拉强度导致高压过滤过程中膜耐久性较高；第二，增强膜过滤层比传统膜过滤层薄，从而降低过滤阻力，增加通量；第三，选择廉价的聚氯乙烯树脂作为过滤层的主要基质可以抵消引入编织产生的部分成本。
与抗拉强度相反，传统的HFMs在断裂时具有较宽的伸长率范围，其值为28%到略低于85%之间。分别测量了多孔基体HFMs和螺纹/灯丝增强HFMs的最高（102%）和最低（25%）断裂伸长率。在这方面，编织增强的HFM处于中间范围。
6.2. 分离性能
6.3. 燃烧压力
爆破试验可以作为平板和HFMs[141,142]机械强度的实际测量方法。这是一种测量平面应力下破膜所需力的合适的力学试验方法。在这个实验中，细胞膜暴露在不断增加的压力下，直到发生失效。此时，压力为爆破压力或爆破强度[142]。HFM的破裂强度可以通过使用带有氮气缸和压力计[3]的装置来确定。应用各向同性管[143]的Barlow公式，破裂压力与HFM的拉应力有关：
P=2tδ/( do ·Sf ) （1）
式中，δ为HFM抗拉强度，t为中空纤维壁厚，d0为外径，Sf为安全系数。通常假设Sf为1。等式[1]结果表明，HFMs的破裂强度与拉应力、膜的外径和壁厚密切相关。
破裂强度不仅受聚合物浓度和组成的影响，还受膜孔隙率[62]的影响。在掺杂溶液中，破裂强度通常随着聚合物浓度的增加而增加。原因是聚合物浓度[41,144]越高，膜内分子链堆叠越紧。
图26. 三种中空纤维膜的破裂压力
孔隙率的增加对膜[62]的破裂强度有负面影响。较小的空腔具有较高的抗透水能力，可导致较高的破裂强度[62,144]。图26显示了两种增强HFM与传统材料的破裂压力的比较。
可以看出，传统HFMs的破裂压力在0.1~0.65MPa之间，最高的破裂压力在~0.3d到~0.5MPa之间。
灯丝增强HFM的破裂压力在0.15到0.45MPa范围内分布更大。文献中 道的数量最高的编织增强HFM的破裂压力在0.25到0.98MPa之间。然而，据 道，也曾有高达2.1MPa的破裂压力[120]。爆破强度是反洗过程中的一个重要参数，特别是对于编织增强的HFM。破裂强度可以在一定程度上作为涂层和管状编织层之间的界面粘合强度的标准[116]。
在纤维增强的HFM中，添加螺纹导致它们在膜上的轴向分布。由于螺纹的直径比膜的周长很小，因此螺纹不能影响膜的微观结构，进而对破裂压力[41]的影响较小
7. 商业化的产品
增强型热复合材料优越的机械性能和分离性能已经使得几家大公司在他们的项目中生产或使用它们。HIFIL TECHINC最近声称其清洁产品是世界上最好耐用的增强PVDF HFM。据称，该清洁剂具有高拉伸和剥离强度性能、高渗透率和排斥率、低污垢性能和对清洁化学品的高抵抗力。这种商业产品受益于易于存储在干燥的条件下和易于处理和维护的[145]。科赫膜系统公司开发了一种单集管UF PURON MBR，声称具有高流速，节能和经济效益，并表现出有效的空气冲刷和没有纤维断裂。开发的UF MBR可以有效去除磷，并基于外到内过滤。该专利模块是一种增强的PVDF HFM，只固定在底部。单头UF PURON mbr具有广泛的主要应用范围，包括城市垃圾水解决方案、食品和饮料水解决方案、金属整理、油气水回用、采出水、油气废水处理、纸浆和造纸、半导体废水处理和水回收[146]。宏视觉开发了HYPERTMPVDF，一种高包装MBR，使用PE编织增强HFM，具有优异的抗拉强度，抗污垢，高、稳定的通量、高耐化学性、稳定性和消除效果[147]。图27显示了申请人的最新统计数据。科隆工业公司使用管状编织和聚合物薄膜制作了编织增强HFM。然而，这种增强的HFM很容易出现表层剥离的问题。该问题源于增强纤维与多孔膜[3]之间的热力学不相容性。
图27. 编织增强中空纤维膜申请人统计
三菱人造丝有限公司发明了一种由多孔体和增强纤维组成的多孔膜。增强纤维在两端之间线性排列，垂直于膜[82]的渗透方向。
泽农环境公司制造了一种具有微孔结构的编织增强HFM，称为Zeeweed 500。该膜由微孔支撑基体和薄管状不对称半透性聚合物膜作为涂层[38]组成。该增强HFM具有优异的机械性能、可靠的分离性和良好的水渗透性。
科赫分离解决方案(KSS)，全球领先的膜过滤和离子交换技术，提到它将把PURON增强HFM技术的生产能力扩大50%。KSS的增强HFM解决方案包括PURON MP、PURON HF、PURON MBR和推进MBR[148]。科赫膜系统公司生产了“PURON推进”MBRs。这些MBR使用PVDF HFM，停机时间最短，使用聚酯织物加强。推进MBR模块可以通过城市污水处理为太平洋格罗夫的高尔夫球场提供理想的替代水源。在中国电力行业的另一个项目中，PURON MBR首次被用于回收水。在圣保罗，这些MBR正被用于一个工业废水处理厂。北美的第一个大型MBR安装设施，位于加州的圣宝拉，使用了PURON膜过滤模块。他们建立了一个新的污水处理厂来满足当前和未来的污水需求。科赫膜系统公司还生产了其他类型的聚酯编织增强HFMs，称为PURON HF和PURON MP。2013年，通用电气公司通过专注于为HFM提供管状编织的方法来生产高耐久性的膜。2015年，他们制造了一种由普通和核心鞘细丝组成的编织增强HFM。同样在同一年，他们引入了一种新的工具和工艺，其中从喷丝板中拉出纤维所需的最小应力减少了凝固浴中膜截面的扭曲。同样在2016年，他们开发了一种使用超声波焊丝来制造编织增强HFM的设备。用这种方法制备的膜模块专门用于mbr。尽管这些膜系统[149-152]的运动很强烈，但它们在MBR系统中没有断裂。表3给出了增强型HFM在世界各地的一些伟大应用。
表3. 在加固HFMs领域已安装或正在安装的项目[153]
8. 结论和观点
-使用均质或非均匀的涂层聚合物和编织加固似乎需要进一步的研究。
-增强卤素纤维膜的透水性也需进一步提高。
-界面键态对这些膜的机械强度有至关重要的影响，因此聚合物混溶性的热力学需要包括在这些膜的科学讨论中。
-还需要进一步的研究来回答使用编织是否限制液-液系统中的传质的问题。
-在这些膜中形成生物污染的可能性可能是一个有趣的研究领域。
-需要研究使用编织物的生命周期和成本优势。
-在分子尺度上对聚合物和增强剂之间的反应进行建模和模拟，可以导致更好地理解微观结构的形成和增强的机制。
-对强化HFMs系统中的压降和能耗的研究尚未得到足够的关注，因此它可以成为一个重要的研究领域。
-对孔隙率和聚合物和增强剂的结合等微观结构性能的深入研究，可以为采用适当的聚合物和增强剂以及适当的实验条件提供有价值的信息。
-在HFMs强化中使用多维或混合编织需要进一步研究所产生的膜的力学和功能性能。
-需要对不同类型的水和废水进行长时间的中试实验，以确定这些膜的性能限制，并研究和解决可能存在的挑战。
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