[發明專利]一種超高電流密度條件下運行的離子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201210541236.7
• 申請日: 2012-12-14
• 公開（公告）號: CN102961980A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 王婧;張永明;張恒;趙寬;宗少杰
• 申請（專利權）人: 山東東岳高分子材料有限公司
• 主分類號: B01D71/66
• 分類號: B01D71/66;B01D67/00;C25B13/08
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王緒銀

技術領域

本發明涉及一種超高電流密度條件下運行的離子交換膜及其制備方法，屬于功能高分子膜材料領域。

背景技術

氯堿工業中按照運行的電流密度劃分，離子膜電解槽可劃分為高電流密度電解槽和一般電流密度電解槽。二者的臨界點通常設定為4.0KA/m²。傳統的離子膜電解槽運行的電流密度為3.3KA/m²左右，而高電流密度離子膜電解槽運行的電流密度一般為4.0-6.0KA/m²，甚至更高。

相對而言，高電流密度電解槽運行具有以下優勢：1）可以強化生產能力，如4.2KA/m²條件下運行的電解槽要比3.3KA/m²條件下運行的電解槽提高燒堿產量約27.3%；2）可降低離子膜燒堿項目的一次性投資；3）節省項目的占地面積，便于項目建成后的管理；4）操作彈性大，有利于降低運行成本。然而，想要在高電流密度條件下運行除了優化電解槽材質和結構、優化操作工藝和技術指標、優化鹽水品質外，還需配用相應的高電流密度條件下運行的離子交換膜。該膜不同于一般電流密度條件下運行的離子膜，是因為高電流密度電解槽運行的電密提高，必須提高單位時間進入電槽鹽水的流量，這就要求離子交換膜具有更強的離子交換能力，即在單位時間內讓更多的Na離子由陽極室穿過離子交換膜進入陰極室。

專利ZL200720010486.2公開了一種氯堿行業使用的高電流密度擴張陽極電解槽，是從電解槽結構的改進上實現電解在高電流密度下安全穩定運行；據氯堿行業資料報導，國外的新一代高電流密度的離子交換膜采用更薄的膜層厚度和更細的增強纖維從而降低阻擋面積、提高通量，效果比較明顯，但膜的強度下降很多，壽命縮短；專利US2005/0279644A1公開了一種離子膜電解工藝，可以使離子膜適應不同電流密度條件下的穩定運行，但也只是通過離子膜與陽極間距的調整來實現，電流密度只提高到7KA/m²。通常來說，為了提高離子交換膜的離子通量，最簡潔的方法是采用高交換容量的磺酸或羧酸樹脂制備高交換容量的離子膜，但在實際的制備和應用過程中會出現羧酸的交換容量太高而導致的陰極側對氫氧根的阻隔性能下降，導致氯氣中的氫氣過量；而單獨提高磺酸的交換容量又存在與羧酸樹脂不匹配而容易分層的缺陷。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種超高電流密度條件下運行的離子交換膜及其制備方法，該離子交換膜在高于4.0KA/m²的電流密度條件下，甚至超過8KA/m²的超高電流密度下,能夠表現出超常的槽電壓、電流效率、面電阻和氯氣純度優勢，同時保證了膜強度。

術語解釋：

超高電流密度，屬于在氯堿行業特定環境下的一種常規說法，傳統的離子膜電解槽運行的電流密度為3.3KA/m²左右，高電流密度離子膜電解槽運行的電流密度一般為4.0-6.0KA/m²，本發明所謂的超高電流密度指的是電解槽運行的電流密度高于6.0KA/m²。但本發明所述的超高電流密度條件下運行不僅限于電流密度高于6.0KA/m²，亦適于在高電流密度條件下運行4.0-6.0KA/m²。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案如下：

一種超高電流密度條件下運行的離子交換膜，所述離子交換膜是由全氟磺酸離子交換樹脂和犧牲短纖維熔融共混后擠出流延制成單膜，再經功能化轉型處理和超臨界流體處理，單膜的兩側面還噴涂有親水氧化鋯涂層；所述犧牲短纖維選自聚酯纖維、纖維素纖維或聚酰胺纖維，所述犧牲短纖維在離子交換膜功能化轉型的過程中被轉型堿液溶除，使膜體內具有交錯相連的細微通道；該離子交換膜膜體內部具有結晶相、無定形相和離子簇相三相分離的連續化交聯一體結構。

根據本發明優選的，全氟磺酸離子交換樹脂的離子交換容量為0.8-1.4mmol/g。

根據本發明優選的，所述犧牲短纖維的直徑為1-15μm，長度為5-50mm。犧牲短纖維直徑和長度超出優選范圍，會使得纖維溶除留在膜體內的孔道太大或太小，影響膜的整體強度。犧牲短纖維的用量與全氟磺酸離子交換樹脂的質量比為5-20：100。

根據本發明優選的，所述全氟磺酸離子交換樹脂和犧牲短纖維熔融共混后擠出流延制成的單膜厚度為40-200微米，進一步優選的厚度為60-120微米。適合的厚度可以在盡可能低的膜阻條件下保證膜的高強度。