通过疏水性聚甲基丙烯酸甲酯（PMP）中空纤维膜提高水基油墨中溶解氧的去除效果

《Separation and Purification Technology》：Enhanced dissolved oxygen removal from water-based inks via hydrophobic PMP hollow fiber membranes

本研究采用疏水性聚-4-甲基-1-戊烯（PMP）空心纤维膜对低表面张力印墨进行脱气，系统考察了流动模式、真空压力、流速及表面张力等参数对脱气性能的影响。实验表明，当液体表面张力为43.38 mN/m时，致密PMP膜可实现59.4%的脱气率，出口溶解氧浓度稳定在2.50 ppm以下。表面张力在29.22-35.98 mN/m范围内时，脱气效率超过70%，质量传递系数达3.22×10?? m·s?1。实际印墨测试显示脱气率达56.4%，将出口DO浓度从5.25 ppm降至2.28 ppm，为低表面张力液体脱气提供了优化方案。

　　本研究聚焦于水基油墨在喷墨打印过程中的脱氧技术，探讨了如何通过使用疏水性聚-4-甲基-1-戊烯（PMP）中空纤维膜实现高效、稳定的气体去除。喷墨打印作为现代印刷技术的重要组成部分，其质量直接关系到印刷品的精度、生产效率以及整体成本。然而，油墨中溶解的氧气（DO）会引发一系列问题，包括气泡形成、喷嘴堵塞、压电驱动器故障以及油墨供应中断等，这些问题不仅影响打印过程的连续性，还可能导致印刷品出现缺失图案、条纹、斑点等缺陷，进而损害印刷效果和光泽度。因此，如何有效去除油墨中的溶解氧，成为保障喷墨打印质量的关键环节。

在本研究中，PMP中空纤维膜因其独特的疏水性和高气体通量特性，被选为脱氧技术的核心材料。实验结果显示，在液态表面张力为43.38 mN/m且膜未被润湿的条件下，PMP中空纤维膜对溶解氧的去除率达到59.4%，且出口液中溶解氧浓度稳定在2.50 ppm以下。这一成果表明，PMP膜在低表面张力油墨的脱氧过程中表现出良好的性能。进一步研究表明，随着表面张力的降低，氧气传递动力学显著增强，这主要归因于质量传递系数的提升和溶解氧去除率的增加。然而，表面张力的降低也会增加膜被润湿的风险，这可能会影响脱氧效率并导致膜性能下降。

在实际油墨测试中，PMP膜对溶解氧的去除率达到了56.4%，成功将出口液中溶解氧浓度从5.25 ppm降至2.28 ppm。这一结果不仅验证了PMP膜在脱氧技术中的应用潜力，也表明该技术能够满足工业对高效率和高稳定性的需求。此外，实验还发现，在表面张力介于29.22至35.98 mN/m的范围内，脱氧效率超过70%，出口液中溶解氧浓度低于2.0 ppm，且质量传递系数达到3.22×10?? m·s?1。这些数据为低表面张力液体的脱氧技术提供了重要的理论支持和实践依据。

在传统脱氧方法中，静置、加热、真空搅拌和超声波等手段虽然在一定程度上能够去除油墨中的气泡，但它们往往存在操作不连续、效率低下、易污染以及与高速打印不兼容等问题。相比之下，基于疏水性中空纤维膜的膜接触器技术则展现出更高的效率和更好的适应性。该技术通过利用膜的疏水性和微孔结构，实现了高效的气体-液体分离。其核心原理是通过膜两侧的压差，使溶解的气体分子（如O?、CO?）在亨利定律的作用下，从液体中扩散至膜表面并进入气相。与此同时，液体因膜的疏水性而被排斥，从而形成稳定的气液界面，确保气体的有效去除。

膜接触器技术的优势在于其高效性、连续运行能力、紧凑的设计以及无化学试剂的处理方式。这些特性使其在半导体、制药和电力等行业中得到了广泛应用，用于去除超纯水中溶解的氧气和二氧化碳。然而，在工业应用中，膜润湿现象常常成为限制该技术性能的主要因素。膜润湿是指液体侵入膜孔中，导致气体扩散路径从气相转变为液相，从而降低脱氧效率。相比在气相中的扩散，气体在液相中的扩散效率要低得多，扩散系数相差四个数量级（约10?? m2/s在液体中，约10?? m2/s在气体中）。根据菲克定律，这种差异会导致质量传递阻力显著增加，进而影响整体脱氧效果。此外，膜润湿还会破坏气液界面的稳定性，加剧浓度极化现象，削弱驱动力，最终导致分离效率的下降。

尽管疏水性膜能够有效防止液体自发渗透，但液体的表面张力变化会影响其渗透行为。例如，当表面张力较低时，液体更容易润湿膜孔，从而降低脱氧效率。图3展示了膜润湿的不同状态，包括非润湿、部分润湿和完全润湿。非润湿状态较为罕见，而完全润湿通常由跨膜压差超过临界值、流速过高、孔径分布不合适、表面张力过低或膜受损等因素引起。这些情况都会干扰气液分离的正常进行。在工业操作中，大多数情况下处于部分润湿状态，而优化操作参数可以有效延缓这一现象的发生。然而，目前对于低表面张力引起的膜润湿动力学的定量分析仍较为缺乏，这限制了该技术在实际应用中的进一步优化。

本研究旨在填补低表面张力液体脱氧技术应用的空白，提出了一种高效且环保的油墨脱氧方法。通过系统分析膜材料的选择、操作参数的调控以及油墨特性的优化，研究团队探索了PMP中空纤维膜在低表面张力液体脱氧中的适用性，并验证了该技术在实际油墨中的可行性。实验结果表明，PMP膜在低表面张力油墨的脱氧过程中表现出优异的性能，能够有效提升脱氧效率并保持系统的稳定性。此外，研究还发现，内部流动（lumen-side flow）相较于外部流动（shell-side flow）能够显著提高质量传递系数和脱氧效率，这可能是由于内部流动增强了液体与膜的接触面积和流速，从而提高了气体扩散的速率。

在材料选择方面，PMP、PP和PTFE三种疏水性中空纤维膜被用于脱氧实验。这些材料因其良好的疏水性和微孔结构，在工业脱氧应用中具有广泛的前景。然而，每种材料都存在一定的局限性，例如PP膜的热稳定性较差，PTFE膜的气体通量较低，而PMP膜则因其优异的性能和稳定性，成为本研究的重点对象。通过扫描电子显微镜（SEM）对三种膜的微观结构进行了表征，观察了膜表面、截面和内表面的特征。结果表明，PMP膜的表面结构较为致密，这种结构有助于提高其疏水性和气体传递能力，从而增强脱氧效果。

在实验过程中，研究人员对多种操作参数进行了系统研究，包括流动模式、真空压力、流速和表面张力。这些参数对脱氧性能的影响显著，因此需要进行合理的优化。例如，真空压力的调整可以影响膜两侧的压差，进而改变气体的扩散速率。流速的变化则会影响液体与膜的接触时间和扩散效率。而表面张力的调控则是研究的重点之一，因为其对膜润湿现象具有直接的影响。实验发现，当表面张力降低时，膜的润湿风险增加，这可能会降低脱氧效率。因此，在实际应用中，需要在提高脱氧效率和避免膜润湿之间找到平衡点。

此外，本研究还对实际油墨的脱氧性能进行了测试，结果表明PMP膜在实际油墨中的脱氧效率达到了56.4%，成功将出口液中溶解氧浓度从5.25 ppm降至2.28 ppm。这一结果不仅验证了PMP膜在实际应用中的可行性，也表明该技术能够满足工业对高效率和高稳定性的需求。通过对比实验，研究人员还发现，当表面张力处于29.22至35.98 mN/m的范围内时，脱氧效率超过70%，出口液中溶解氧浓度低于2.0 ppm，且质量传递系数达到3.22×10?? m·s?1。这表明，在这一范围内，PMP膜能够实现高效的脱氧效果，同时避免膜润湿问题的发生。

综上所述，本研究通过系统分析和实验验证，揭示了PMP中空纤维膜在低表面张力液体脱氧中的应用潜力。研究结果不仅为喷墨打印行业的油墨脱氧技术提供了新的解决方案，也为其他低表面张力液体的脱氧应用提供了理论支持和实践指导。通过优化操作参数，研究人员能够有效提升脱氧效率，同时确保系统的稳定运行。未来，随着对膜材料性能的进一步研究和对操作参数的深入优化，PMP中空纤维膜有望在更多工业领域中发挥重要作用，为实现绿色、高效的液体脱氧技术提供坚实的科学基础。