[發(fā)明專(zhuān)利]一種雙極膜及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011633870.4
• 申請(qǐng)日: 2020-12-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112546873A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曉玉;傅榮強(qiáng);劉兆明;徐銅文;劉行行;婁玉峰;張治磊;李志剛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 山東天維膜技術(shù)有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): B01D69/02
• 分類(lèi)號(hào): B01D69/02;B01D69/12;B01D67/00;B01D61/44
• 代理公司: 濰坊鳶都專(zhuān)利事務(wù)所 37215
• 代理人: 周帥

本發(fā)明公開(kāi)了一種雙極膜及其制備方法，雙極膜具有陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層，利用4?乙烯基芐基縮水甘油醚與二乙烯基苯共聚制備基膜，然后利用基膜中的環(huán)氧基團(tuán)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)，分別在膜兩側(cè)引入磺酸基團(tuán)和季銨基團(tuán)制備雙極膜。雙極膜使用過(guò)程中不易發(fā)生鼓泡和分層現(xiàn)象，其機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性更好；該雙極膜制備方法反應(yīng)條件溫和制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于雙極膜制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于環(huán)氧基團(tuán)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)引入磺酸基團(tuán)和季銨基團(tuán)制備雙極膜的方法。

背景技術(shù)

雙極膜是一種新型的離子交換復(fù)合膜，它通常包括陰離子選擇層、陽(yáng)離子選擇層以及介于這兩膜層之間的中間界面層。雙極膜在反向偏壓電場(chǎng)的作用下能夠高效地將水解離成氫離子和氫氧根離子，從而能夠?qū)⑺芤褐械柠}轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的酸和堿。基于雙極膜的電滲析具有簡(jiǎn)單、高效、節(jié)能、清潔等優(yōu)點(diǎn),在控制污染、回收資源以及化工生產(chǎn)過(guò)程特別是有機(jī)酸的生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用。

目前雙極膜主要有復(fù)合型和單片型兩種類(lèi)型，制備方法主要包括：1 )陰、陽(yáng)離子交換膜層熱壓成型法；2 )陰、陽(yáng)離子交換膜層粘合成型法；3 )一膜層在另一膜層上流延成型法；4 )基膜兩側(cè)分別引入陰、陽(yáng)離子交換基團(tuán)法；5 )一膜層在另一膜層上電沉積成型法。

雙極膜可以由陽(yáng)離子交換膜與陰離子交換膜采用熱壓、粘合、流延等復(fù)合方式制備，其制作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，并可以在雙極膜中間引入催化層促進(jìn)水解離，以降低實(shí)際操作中水的解離電壓，目前雙極膜大都采用此種方式制備。但是這類(lèi)雙極膜在使用過(guò)程中，在陰離子交換層和陽(yáng)離子交換層的界面結(jié)合處電阻較大，并且常常會(huì)發(fā)生膜鼓泡甚至分離的現(xiàn)象，導(dǎo)致膜性能大幅度下降甚至無(wú)法工作，同時(shí)還面臨催化層流失性能衰減等問(wèn)題。

雙極膜也可以通過(guò)在聚合物基膜兩側(cè)分別用化學(xué)方法引入陰、陽(yáng)離子交換基團(tuán)而制得。例如，美國(guó)專(zhuān)利4024043和4057481通過(guò)將聚合物支撐層多次浸泡苯乙烯單體溶液并聚合，隨后在膜的兩側(cè)分別磺化和氯甲基化并季銨化，制得單片型雙極膜。此類(lèi)制造方法工藝繁瑣、重現(xiàn)性低，須選用在苯乙烯單體中能夠溶脹的支撐層，并且在氯甲基化過(guò)程中用到了氯甲醚等強(qiáng)致癌化學(xué)物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人體造成很大的危害。中國(guó)專(zhuān)利CN201010281997.4和CN201510260096.X所報(bào)告的雙極膜的制備方法亦存在上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一是提供一種具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度高的雙極膜；該雙極膜包括陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層；

所述陰離子交換層的化學(xué)結(jié)構(gòu)如下：

，

其中，X^-為陰離子，X^-為Cl^-、Br^-、I^-和SO₃H^-中的任一種，m為陰離子交換層中4-乙烯基芐基縮水甘油醚的摩爾百分占比，在1%-30%的范圍；y為陰離子交換層中，二乙烯基苯的摩爾百分占比，在10%-40%的范圍；1-m-y為陰離子交換膜層中，引入季銨基團(tuán)的4-乙烯基芐基縮水甘油醚的摩爾百分占比，在30%-90%的范圍；

所述陽(yáng)離子交換層的化學(xué)結(jié)構(gòu)如下：

，

其中，X⁺為陽(yáng)離子，X⁺為H⁺、Li⁺、Na⁺和K⁺中的任一種，n為陽(yáng)離子交換層中，4-乙烯基芐基縮水甘油醚的摩爾百分占比，在1%-30%的范圍；y為陽(yáng)離子交換層中，二乙烯基苯的摩爾百分占比，在10%-40%的范圍；1-n-y為陽(yáng)離子交換層中，引入磺酸基團(tuán)的4-乙烯基芐基縮水甘油醚的摩爾百分比，在30%-90%的范圍。

所述m在1%-30%的范圍，所述n在1%-30%的范圍。

所述陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層通過(guò)支撐布連為一體；支撐布可以選用聚丙烯、滌綸等材質(zhì)。