面向电渗析应用领域的聚乙烯醇基阴离子交换膜的制备与表征
发布时间：2021-07-21 15:31
聚乙烯醇（PVA）是一种线性聚合物,具有良好的物理化学性能和成膜性能,所形成的膜具有优异的机械性能,并且拉伸强度随聚合度、醇解度的升高而增强。基于PVA分子链上存在大量可以促进OH-传输的羟基以及它优异的耐碱性,本论文制备了一系列PVA基复合阴离子交换膜并将其应用于电渗析技术（ED）处理碱性废水,该膜可成功用于从Na OH/Na2WO4混合物中回收Na OH,并展现了一定的单价离子分离能力;为此,我们又通过对膜进行疏水性改性和表面改性,进一步制备了PVA基单价阴离子选择性膜。本论文一共分为四章,各章节内容如下:第一章为绪论部分,简要地介绍了膜分离技术和与其密切相关的各种离子交换膜,同时对几种有代表性的离子膜电渗析分离技术做了简单介绍,如传统电渗析（ED）、选择性电渗析（SED）、双极膜电渗析（BMED）等。此外,简述了PVA材料用于制备离子交换膜的优势以及氧化石墨烯（GO）的特点。最后,简要地介绍了本论文的课题来源、意义及主要内容。第二章是PVA基复合阴离子交换膜的制备及其电渗析回收碱的应用。首先将季铵化氧化石墨烯（QG...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种不同类型的离子交换膜（IEM）的示意图：（a）阴离子交换膜（AEM）；（b）阳离子交换膜（CEM）；（c）两性IEM；（d）双极膜；（e）镶嵌IEM
合肥工业大学硕士学位论文4单价阴、阳离子选择性膜统称为单价离子选择性膜，它是在普通阴、阳离子交换膜的基础上发展起来的，通过各离子组分与膜亲和力的差异和各组分在膜相中迁移速度的差异性来实现各离子组分的选择性分离[16]，它是离子交换膜的一种，一般应用于电渗析中。性能优异的单价离子选择性膜不仅需要具备普通离子交换膜的高通量、高稳定性和低面电阻等特性，还需具有高的单价/高价离子选择性，这对制膜工艺提出了较高的要求。由于制备高选择性的单价阴、阳离子选择性膜的原理基本一致，以下主要选择单价阴离子选择性膜（如图1.2所示）的制备方法进行阐述，主要包括三种制备原理：图1.2阴离子透过单价阴离子选择性膜的示意图Fig.1.2Theschematicdiagramofanionstransportingthoughmonovalentanionselectivemembrane（1）孔径筛分效应孔径筛分效应主要通过增加膜主体的致密度或在膜表面附着致密层的方法，使得膜微观孔隙减小，结构致密性增加，从而导致具有较大水合离子半径的离子难以透过膜，而对于水合离子半径较小的离子影响较校因此，总体的效果就是可以提高膜的选择性。不过，致密层往往会在一定程度上增加膜的面电阻，并降低离子通量，所以利用该方法制备膜也会带来一定的弊端。例如，JPan[17]等通过一锅法制备高性能的内部交联的单价选择性阴离子交换膜，具体方法是简单地将不同量的柳氮磺胺吡啶（SF）添加到部分季铵化的氯甲基化聚砜（QPSF）中，因为不同量的柳氮磺胺嘧啶的存在，QPSF膜的pH发生改变，从而能改变膜的致密性，结果显示膜对Cl-/SO42-的最高选择性可以达到24.55，同时膜的面电阻由2.86Ω·cm2升高到7.89Ω·cm2。（2）Donnan排斥效应
合肥工业大学硕士学位论文6（二）两性离子交换膜两性离子交换膜最早是由索尔纳（Sllner）于1932年提出的[22]，从那时起，研究者对其进行了大量的探究。该种膜同时包含弱酸性（负电荷）基团和弱碱性（正电荷）基团，这两种基团随机分布在膜基质中[14,23]，因此，两性离子交换膜应用在离子选择透过性领域中具有独特的优势。此外，带正、负电荷的官能团之间可以形成库仑力而使膜更加稳定。例如，Saito等[24,25]用含羧基的聚乙烯醇和含氨基的琥珀酰壳聚糖的混合溶液制备了弱两性聚合物膜，研究确定了在两性电解质链上的离子交换基团和反离子之间发生的相互作用，并且这种作用可以提高膜的稳定性。两性离子交换膜有望成为具有以下特征的下一代离子交换膜：1）膜的电荷性质可以通过改变外层溶液的pH值来控制，所以对于离子分离具有很好的效果，2）有望作为防污材料，以防止有机分子和生物大分子吸附在膜表面上[26]。两性离子交换膜也具有生物医学领域应用的潜力，例如可以用作离子药物、用于蛋白质的分离[23,27]以及作为血液透析膜[28,29]等用于医疗设备。（三）双极膜（BPM）双极膜（BPM）通常是由阳离子交换层（N型膜）、界面亲水层（催化层）和阴离子交换层（P型膜）复合而成。在直流电场作用下，BPM可将水离解，膜中的两个离子交换层允许水解离产物（质子和氢氧根离子）进行选择性运输，并阻止电解质溶液中同离子的迁移，如图1.3所示，所以BPM分离过程是真正意义上的反应过程[30]。BPM在化工生产和分离、生化工程、环境保护等行业和日常生活中都具有巨大的应用潜力；BPM的使用可以显著提高传统工艺的性能，并消除对环境的潜在污染[31]。图1.3双极膜的结构示意图Fig.1.3Structureschematicdiagramofabipolarmembrane
【参考文献】：
期刊论文
[1]单价选择性阳离子交换膜的研究进展[J]. 李健,徐燕青,阮慧敏,沈江南,高从堦. 膜科学与技术. 2015(03)
[2]离子交换膜技术及其应用[J]. 曾青兰,李晓宏. 科技资讯. 2010(04)
[3]电渗析技术的发展及应用[J]. 李广,梁艳玲,韦宏. 化工技术与开发. 2008(07)
[4]膜分离技术的应用及发展趋势[J]. 岳志新,马东祝,赵丽娜,赵寒梅. 云南地理环境研究. 2006(05)
[5]阴离子交换膜的制备和改性研究进展[J]. 张绍玲,徐铜文,刘兆明. 离子交换与吸附. 2006(04)
[6]膜分离技术及其应用简介[J]. 郭瑞丽,李玲. 新疆大学学报(自然科学版). 2003(04)
[7]膜分离技术的发展及其工业应用[J]. 朱智清. 化工技术与开发. 2003(01)
[8]膜分离技术的应用[J]. 何旭敏,何国梅,曾碧榕,孙洪贵,杨黄浩,陈少鸿,周花,李春艳,胡建华,丁马太,林昌健,夏海平,蓝伟光. 厦门大学学报(自然科学版). 2001(02)
[9]膜分离技术的现状及其在染料化工中的应用[J]. 陈一鸣,蔡惠如,刘玉荣. 化工装备技术. 2001(01)
[10]填充床电渗析器制备纯水的研究[J]. 徐新,林载祁. 水处理技术. 1996(06)
本文编号：3295293
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种不同类型的离子交换膜（IEM）的示意图：（a）阴离子交换膜（AEM）；（b）阳离子交换膜（CEM）；（c）两性IEM；（d）双极膜；（e）镶嵌IEM
合肥工业大学硕士学位论文4单价阴、阳离子选择性膜统称为单价离子选择性膜，它是在普通阴、阳离子交换膜的基础上发展起来的，通过各离子组分与膜亲和力的差异和各组分在膜相中迁移速度的差异性来实现各离子组分的选择性分离[16]，它是离子交换膜的一种，一般应用于电渗析中。性能优异的单价离子选择性膜不仅需要具备普通离子交换膜的高通量、高稳定性和低面电阻等特性，还需具有高的单价/高价离子选择性，这对制膜工艺提出了较高的要求。由于制备高选择性的单价阴、阳离子选择性膜的原理基本一致，以下主要选择单价阴离子选择性膜（如图1.2所示）的制备方法进行阐述，主要包括三种制备原理：图1.2阴离子透过单价阴离子选择性膜的示意图Fig.1.2Theschematicdiagramofanionstransportingthoughmonovalentanionselectivemembrane（1）孔径筛分效应孔径筛分效应主要通过增加膜主体的致密度或在膜表面附着致密层的方法，使得膜微观孔隙减小，结构致密性增加，从而导致具有较大水合离子半径的离子难以透过膜，而对于水合离子半径较小的离子影响较校因此，总体的效果就是可以提高膜的选择性。不过，致密层往往会在一定程度上增加膜的面电阻，并降低离子通量，所以利用该方法制备膜也会带来一定的弊端。例如，JPan[17]等通过一锅法制备高性能的内部交联的单价选择性阴离子交换膜，具体方法是简单地将不同量的柳氮磺胺吡啶（SF）添加到部分季铵化的氯甲基化聚砜（QPSF）中，因为不同量的柳氮磺胺嘧啶的存在，QPSF膜的pH发生改变，从而能改变膜的致密性，结果显示膜对Cl-/SO42-的最高选择性可以达到24.55，同时膜的面电阻由2.86Ω·cm2升高到7.89Ω·cm2。（2）Donnan排斥效应
合肥工业大学硕士学位论文6（二）两性离子交换膜两性离子交换膜最早是由索尔纳（Sllner）于1932年提出的[22]，从那时起，研究者对其进行了大量的探究。该种膜同时包含弱酸性（负电荷）基团和弱碱性（正电荷）基团，这两种基团随机分布在膜基质中[14,23]，因此，两性离子交换膜应用在离子选择透过性领域中具有独特的优势。此外，带正、负电荷的官能团之间可以形成库仑力而使膜更加稳定。例如，Saito等[24,25]用含羧基的聚乙烯醇和含氨基的琥珀酰壳聚糖的混合溶液制备了弱两性聚合物膜，研究确定了在两性电解质链上的离子交换基团和反离子之间发生的相互作用，并且这种作用可以提高膜的稳定性。两性离子交换膜有望成为具有以下特征的下一代离子交换膜：1）膜的电荷性质可以通过改变外层溶液的pH值来控制，所以对于离子分离具有很好的效果，2）有望作为防污材料，以防止有机分子和生物大分子吸附在膜表面上[26]。两性离子交换膜也具有生物医学领域应用的潜力，例如可以用作离子药物、用于蛋白质的分离[23,27]以及作为血液透析膜[28,29]等用于医疗设备。（三）双极膜（BPM）双极膜（BPM）通常是由阳离子交换层（N型膜）、界面亲水层（催化层）和阴离子交换层（P型膜）复合而成。在直流电场作用下，BPM可将水离解，膜中的两个离子交换层允许水解离产物（质子和氢氧根离子）进行选择性运输，并阻止电解质溶液中同离子的迁移，如图1.3所示，所以BPM分离过程是真正意义上的反应过程[30]。BPM在化工生产和分离、生化工程、环境保护等行业和日常生活中都具有巨大的应用潜力；BPM的使用可以显著提高传统工艺的性能，并消除对环境的潜在污染[31]。图1.3双极膜的结构示意图Fig.1.3Structureschematicdiagramofabipolarmembrane
【参考文献】：
期刊论文
[1]单价选择性阳离子交换膜的研究进展[J]. 李健,徐燕青,阮慧敏,沈江南,高从堦. 膜科学与技术. 2015(03)
[2]离子交换膜技术及其应用[J]. 曾青兰,李晓宏. 科技资讯. 2010(04)
[3]电渗析技术的发展及应用[J]. 李广,梁艳玲,韦宏. 化工技术与开发. 2008(07)
[4]膜分离技术的应用及发展趋势[J]. 岳志新,马东祝,赵丽娜,赵寒梅. 云南地理环境研究. 2006(05)
[5]阴离子交换膜的制备和改性研究进展[J]. 张绍玲,徐铜文,刘兆明. 离子交换与吸附. 2006(04)
[6]膜分离技术及其应用简介[J]. 郭瑞丽,李玲. 新疆大学学报(自然科学版). 2003(04)
[7]膜分离技术的发展及其工业应用[J]. 朱智清. 化工技术与开发. 2003(01)
[8]膜分离技术的应用[J]. 何旭敏,何国梅,曾碧榕,孙洪贵,杨黄浩,陈少鸿,周花,李春艳,胡建华,丁马太,林昌健,夏海平,蓝伟光. 厦门大学学报(自然科学版). 2001(02)
[9]膜分离技术的现状及其在染料化工中的应用[J]. 陈一鸣,蔡惠如,刘玉荣. 化工装备技术. 2001(01)
[10]填充床电渗析器制备纯水的研究[J]. 徐新,林载祁. 水处理技术. 1996(06)
本文编号：3295293
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