电场辅助非对称多孔膜的制备及扩散渗析酸回收应用

发布时间：2020-03-29 05:42

【摘要】：在环境问题日益突出和能源需求不断增长的全球变化趋势下,人们迫切需要新型技术手段以应对生产过程中的污染问题和发展新型可再生洁净能源。自上世纪五十年代以来,离子交换膜技术吸引了研究人员的广泛关注,目前已在化工领域、制药领域、储能领域等方面实现了广泛应用。作为一种高效的离子分离手段,离子交换膜扩散渗析技术主要应用于工业废酸的回收,扩散渗析离子交换膜是扩散渗析技术的核心组件,鉴于其工作时特殊的酸性环境,扩散渗析膜通常需要良好的化学稳定性。一般来说扩散渗析膜多为单一聚合物构成的致密膜或改性致密膜,但是传统手段制备的致密扩散渗析膜往往厚度较大,大大增加了氢离子传质过程中的阻力,因此往往选择性不高。也有研究人员使用含有多种聚合物的异相膜,提高离子膜的稳定性,但是这种方法制备的异相离子交换膜常常面临聚合物之间相容性差的问题。为了解决聚合物之间的相容性问题,本实验采用了自由基聚合的方法制备了用于扩散渗析的半互穿网络聚(QVBC-DVB)/PVDF阴离子交换膜。独特的半互穿网络结构使得离子膜成为半均相膜,聚合物之间的相容性得到一定程度的提高,同时赋予了离子膜致密的断面形貌,使离子膜具有优异的机械稳定性和化学稳定性,有效降低了膜的溶胀率。致密的膜结构能够保证离子膜在使用过程中保持形貌和结构完整性,延长使用寿命,但是目前大部分的扩散渗析致密膜厚度都大于100μm,这种厚度对H+的传递造成了极为不利的影响,是制约扩散渗析膜性能的主要因素之一。为了降低聚(QVBC-DVB)/PVDF致密阴膜的厚度,受传统非对称膜结构的启发,我们利用外加电场驱动聚(QVBC-DVB)/PVDF阴膜中的带电网络结构从表面处迁移出离子膜基体,在迁移走的位置留下海绵状孔,使得阴膜形成上下表面多孔、中间层致密的非对称结构。进一步的研究发现可以通过调节电场作用时间和电流密度对多孔层和致密层的厚度进行调控,50 mA/cm2的外加电场作用72 h可使离子膜致密层厚度由80 μm减小到46.8 μm,100 mA/cm2的外加电场作用48 h可使离子膜致密层厚度由80μm减小到56.8 μum,而过长的电流作用时间则会将致密层厚度减至零,使其成为多孔膜。为了探究所制备的分层多孔聚(QVBC-DVB)/PVDF阴膜的扩散渗析性能,我们测试了阴膜的基本性质和从HCl/FeCl2体系回收盐酸的效果。如果固定电流密度为100 mA/cm2,那么随着电场作用时间的增加,阴膜的IEC越来越低,这个结果与扫描电镜结果相一致,96h后阴膜的IEC降至0.15mmol/g,和聚(QVBC-DVB)/PVDF基膜的IEC(1.16 mmol/g)相比大幅降低;而48 h的电场作用能够在降低致密层的厚度的同时使阴膜保持较高的IEC(0.928 mmol/g)。值得注意的是,离子膜的含水率反常地随IEC的降低而提高,这是因为海绵状多孔层厚度的增加使得离子膜有较高的保水率,补偿了 IEC降低导致的氢键减少。扩散渗析结果表明,经50mA/cm2的电场作用后所得的分层多孔聚(QVBC-DVB)/PVDF阴膜具有最高的分离因子(s)和氢离子渗析系数(UH+),其UH+达到12.12×l0-3m/h,分离因子s可达198。总的来说,我们制备出半互穿网络聚(QVBC-DVB)/PVDF致密阴膜,并通过外加电场的方法促使其致密层厚度降低,形成上下表面多孔中间层致密的非对称结构,在保持稳定性的同时降低了扩散渗析过程中的传质阻力,为提升扩散渗析膜性能提供了新的思路。
【图文】：

般由极薄的致密表层（或细孔表层）和表层下面疏松的多孔支撑层构成；复合膜逡逑则是在非对称膜的支撑层上通过物理或化学方法复合一层或多层皮层得到，，其中逡逑每一个亚层的结构都可以分别调控。图１．１展示了常见的离子交换膜及其分类方逡逑法。逡逑按离子交换基团的种类逦按带电基团与主链的结合方式逦按元素组成逡逑／邋＼逡逑？阴离子交换膜逦ｔ逦．逦（逦Ｎ逡逑？阳离子交换膜逦？均相膜逦？有机离子膜逡逑？两性膜逦？异相膜逦？无机离子膜逡逑？双极膜逦？半知相膜逦？有机－无机杂化膜逡逑＞离子交换膜逡逑＇逦＠}0ｉ逦ｆ逦＿对称膜ｉ逦〔？岕膜￣逡逑．２５氃逦？非对称膜逦？管状膜逡逑多

本文编号：2605540