中空纤维透析膜的性能表征及传质特性研究

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近年来,继心脑血管疾病、肿瘤、糖尿病之后,慢性肾脏病(Chronic kidney disease,CKD)已发展成另一种严重危害全球人类健康的重要疾病。血液透析是急慢性肾功能衰竭患者的重要肾脏替代治疗方式,随着终末期肾病患者人数的逐渐增加,血液透析的应用范围越来越广。本课题选取了三种代表性的常用中空纤维透析膜材料(三醋酸纤维膜、聚醚砜膜和聚砜膜)进行横向比较实验,对纤维膜的表面结构特性和传质特性进行实验研究和分析,根据质量守恒定律和双膜理论建立了一个中空纤维透析膜理论传质模型,并使用中小分子代表物质对相应透析膜制成的透析器进行测试,并使用该传质模型计算总传质系数和纤维膜的扩散系数,分析纤维膜传质性能与纤维膜表面/结构特性之间的相互关系,为中空纤维膜制备过程中的材料选择、结构优化设计等提出参考性建议。本文的主要工作包括以下几个方面:(1)使用扫描电子显微镜等测试设备对三种代表性的常用中空纤维透析膜材料(三醋酸纤维膜、聚醚砜膜和聚砜膜)的表面特性和结构特性进行研究,获得了纤维膜材料的表层形态、膜内径、膜壁厚及密度、孔隙率等表面/结构特性数据。实验结果表明,由于中空纤维膜的中空结构及外表皮层微孔结构等特点所限,称重法相对更适用于测试中空纤维膜的密度和孔隙率。(2)使用实验室自制超滤装置进行了传质参数测试,得到三种纤维膜的截留率和水通量等两个重要传质参数。结合纤维膜表面结构形态进行分析,实验结果表明物质传质效率与纤维膜的膜孔结构密切相关。本课题中所使用的三种中空纤维膜的白蛋白截留率均能达到99.99%以上,而水分子及肌酐、尿素、磷酸盐、维生素B12等中小分子均可顺利从膜孔中通过。水通量的测试结果显示,在孔隙率基本一致的前提下,纤维膜孔径越大,对应的水通量数值越大。(3)根据质量守恒定律和双膜理论建立了一种中空纤维透析膜的理论传质模型,此模型综合考虑了膜面积、流体粘度、纤维内径、纤维厚度、孔隙率等因素的影响,通过透析模拟实验测试计算得到传质过程的总传质系数总。所得的总传质系数计算结果表明:a)膜壁厚是总传质系数K总的重要影响因素之一,当其他条件(溶质的血液侧阻力、透析液侧阻力、膜扩散系数)保持不变时,中空纤维膜的传质阻力与膜的厚度呈正比,与总传质系数呈反比,即膜壁厚越小,膜传质阻力越小,相对应的总传质系数K总越大;b)提高血液侧进出口处某溶质的浓度与透析液侧反向流动对应点的同种溶质的浓度差,可以增大浓度梯度,有助于提高透析效率,缩短透析时间。(4)根据建立的传质模型,使用四种不同的溶质(小分子代表物质尿素、肌酐和中分子代表物质磷酸盐、维生素B12)进行传质模拟测试,结合纤维膜截面和侧面表层膜孔形态分布、膜密度、孔隙率等表面结构情况对纤维膜的膜扩散系数测试结果进行比较分析,结果表明:排除膜面积、纤维内径、纤维厚度、孔隙率等纤维膜物理几何参数的差别影响因素,纤维膜表面的孔径越大,膜扩散系数越高;纤维膜的孔径分布越均匀,表面越平整、光洁,溶质越容易接近表面并发生传质,膜扩散系数越高。就膜本身的材料特性而言,聚醚砜膜和聚砜膜代表的聚合物膜的传质表现优于醋酸纤维素类膜。
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