用于电渗析回收废酸的梳状阳离子交换膜制备与性能研究

发布时间：2020-10-22 02:25

　　 在工业生产领域尤其是电镀、冶金和金属表面清洗的工业过程中,会使用大量的硫酸并产生含有金属离子的废酸液。若废酸液不经处理直接排放,会造成严重的环境问题,如水、土壤污染等,同时还会造成资源的大量浪费。因此,对废酸进行合理的回收利用越来越受到重视,衍生出众多的方法。而在众多方法中,采用电渗析进行回收废酸是一种合理的选择,因为它具有环境友好、无污染、回收效率高等特点。离子交换膜作为电渗析技术的核心部件,对分离性能的影响尤为重要。由于长期运行在酸性条件下,膜的机械性能和化学稳定性受到冲击;然而面临的最大挑战是如何获得既具有高的H+渗透通量又具有较高渗透选择性的阳离子交换膜。本文以磺化聚醚醚酮(SPEEK)作为基材,由于其具有优异的机械性能和化学稳定性,在酸性条件下能相对稳定的存在。通过不同的活化反应制备了一系列包含不同侧链的梳状阳离子交换膜,并研究了它们在电渗析回收废酸中的相关性能。主要研究内容如下:(1)利用二氯亚砜(SOCl2)的反应活性将聚乙二醇(PEG)接入到SPEEK主链上。分析PEG长链的接入对阳离子交换膜吸水率、溶胀率、机械性能、热稳定性和电渗析等性能的影响。由于PEG长链的亲水性和氢键作用,阳离子交换膜的吸水率由30.8%增加到36.8%,溶胀率由12.7%增加到18.6%。对于电渗析性能,H+的渗透通量有所提高,由原始的1.33×10-7 mol·cm-2.s-1增加到3.29×10-7 mol·cm-2·s-1,但同时伴随着Fe2+的泄露也有所增加,选择性最高达到23.7。(2)为进一步降低阳离子交换膜的溶胀率,提高电渗析性能,通过CDI活化反应将疏水性的烷基侧链接入SPEEK主链上,制备了一系列含有烷基侧链的梳状阳离子交换膜。调节接入的烷基链长度来调控阳离子交换膜的微相分离结构,烷基链越长,亲水/疏水微相分离越明显。结果表明疏水烷基链的接入能有效降低膜的溶胀率,从原始的12.7%降低至7.1%。形成的微相分离结构能明显增加H+渗透通量,由原始的1.33×1 0-7 mol·cm-2·s-1增加到2.41×10-7 mol·cm-2·s-1,同时阻隔Fe2+泄露,从而保持较高的H+/Fe2+渗透选择性,最高能达到32.13。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ425.236;X703
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 废酸液的来源与回收处理
        1.1.1 废酸液的来源
        1.1.2 废酸液的处理与回收利用
    1.2 电渗析
        1.2.1 电渗析的发展
        1.2.2 电渗析的基本原理
        1.2.3 电渗析技术的分类
    1.3 离子交换膜
        1.3.1 离子交换膜的种类
        1.3.2 离子交换膜的材料
        1.3.3 离子交换膜的制备方法
        1.3.4 离子交换膜的主要性能
    1.4 电渗析法回收废酸用离子交换膜的研究现状
    1.5 课题研究目的、意义及主要内容
        1.5.1 研究目的及意义
        1.5.2 研究内容
        1.5.3 研究技术路线图
第二章 实验内容、装置及测试分析方法
    2.1 实验药品与仪器
        2.1.1 实验药品
        2.1.2 实验仪器
    2.2 实验方法
        2.2.1 磺化聚醚醚酮（SPEEK）合成
        2.2.2 接枝不同分子量聚乙二醇的SPEEK
        2.2.3 接枝不同长度烷基侧链的SPEEK
        2.2.4 离子交换膜的制备
    2.3 膜结构表征与基础性能测试
1H NMR）'>        2.3.1 核磁共振波谱测试（¹H NMR）
        2.3.2 吸水率、溶胀率与离子交换容量测试
        2.3.3 力学性能测试
        2.3.4 热稳定性分析测试（TGA）
        2.3.5 化学稳定性测试
        2.3.6 小角X射线散射（SAXS）
    2.4 阳离子交换膜电渗析性能测试
        2.4.1 质子导电率测试
        2.4.2 膜面电阻测试
        2.4.3 电流-电压（I-V）曲线测试
        2.4.4 电渗析测试
第三章 亲水改性阳离子交换膜用于电渗析废酸回收
    3.1 引言
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 核磁共振波谱测试
        3.2.2 吸水率、溶胀率与IEC
        3.2.3 质子导电率
        3.2.4 热稳定性
        3.2.5 化学稳定性
        3.2.6 力学性能
        3.2.7 小角X射线散射（SAXS）
        3.2.8 电流电压（I-V）曲线和膜面电阻
        3.2.9 电渗析回收废酸
    3.3 本章小结
第四章 疏水改性阳离子交换膜用于电渗析废酸回收
    4.1 引言
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 核磁共振波谱测试
        4.2.2 吸水率、溶胀率与IEC
        4.2.3 质子导电率
        4.2.4 热稳定性
        4.2.5 化学稳定性
        4.2.6 力学性能
        4.2.7 小角X射线散射（SAXS）
        4.2.8 电流-电压（I-V）曲线和膜面电阻
        4.2.9 电渗析回收废酸
    4.3 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
论文发表情况
附录
致谢

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本文编号：2850961