[发明专利]含无机颗粒的离子交换膜

说明书

领域

本申请涉及膜，特别是离子交换膜。

背景

离子交换膜可以用于处理和除去来自用于各种应用的流体的可电离组分。离子交换官能团在电场中运行以输送一种离子横跨离子交换聚合物，而基本或有效阻挡大多数相反极性的离子。例如，阴离子交换聚合物带有阳离子基团，其排斥阳离子且对阴离子有选择性。

可以从叔胺制备阴离子交换聚合物，将叔胺季铵化以提供阴离子官能团。交联并聚合季铵化合物以形成阴离子交换聚合物。用于制备阴离子交换聚合物的典型方法需要使用烷基卤化物来季铵化阴离子交换聚合物。

美国专利第7968663号提供了阴离子交换聚合物的另一个例子，其可以用于制备膜。在催化剂的存在下，通过将叔胺、酸抑制剂和聚环氧化物反应以形成季铵单体来制备该聚合物。在没有使用烷基卤化物的情况下制备交换聚合物。

通过将膜涂料(membrane dope)包埋在稳定的增强织物中制备离子交换膜。通常从纺织聚合物制备增强织物，所述纺织聚合物例如为聚丙烯、聚酯、聚氯乙烯或聚乙烯。所述涂料可以包含含有季铵基团(阴离子交换)或磺酸根基团(阳离子交换)的离子单体以及含有可聚合的二丙烯酸官能团的交联共聚单体。增强织物决定膜的厚度。通常预处理所述织物以提高其润湿性和与离子交换聚合物的相容性，但预处理可能将污染物引入到膜中。

发明概述

本发明描述了离子交换膜和制备其的方法。所述膜可以用于例如电渗析模块或电化学电池。

离子交换膜包含离子交换聚合物和无机颗粒。所述无机颗粒优选连接到离子交换聚合物。在制备离子交换膜的方法中，将无机颗粒混合到离子交换膜前体中。加入聚合引发剂或催化剂且将所得混合物放在模中并固化。

在膜和制备其的方法中，所述无机颗粒可以包括例如石墨的氧化形式例如氧化石墨、氧化石墨烯或部分还原的氧化石墨烯。所述离子交换聚合物可以包含含有用于阴离子交换的季铵基团或用于阳离子交换的磺酸根基团的离子单体，以及含有可聚合的二丙烯酸官能团的交联共聚单体。

优选地，所述膜为自身支撑的且可以在没有支撑织物的情况下制备。在这种情况下，可以控制膜的厚度而不被合适织物的厚度限制。避开织物还避免了在织物上的污染物或润湿剂对离子交换聚合物的可能污染。

详述

除非上下文清楚说明，否则单数形式“一个/种”和“该”包括复数对象。陈述相同特征的所有范围的端点独立结合且包括叙述的端点。所有对象通过引用结合到文中。

与数量有关的修饰词“约”包括表述的数值且具有上下文所指明的意思(例如包括与具体数量的测定相关的公差范围)。

“任选的”或“任选地”表示随后描述的事件或情况会或不会出现，或随后确定的材料会或不会存在，且该描述包括其中出现该事件或情况或其中存在该材料的情况，和其中不出现该事件或情况或其中不存在该材料的情况。

在下文更详细描述的离子交换膜可以用于电渗析(ED)、电化学电池或其他离子交换膜电池设备。ED设备包括电渗析保留设备和超级电容放电设备。ED设备可以用于从水除去离子。

所述离子交换膜任选地为自身支撑的均相膜。所述膜可以在没有支撑织物的情况下使用。替代支撑织物且除了支撑织物之外，无机颗粒的网络还支撑膜。将无机颗粒通过化学键(例如C-O或N-O键)或通过物理键(例如氢键或π-π堆积(π-πstacking))连接到离子交换聚合物。

用于制备离子交换膜的一些现有方法涉及聚合离子单体以及含有可聚合的二丙烯酸官能团的交联共聚单体。所述离子单体可以包含用于阴离子交换的季铵基团或用于阳离子交换的磺酸根基团。类似的化合物还可以用于形成离子交换聚合物，其在本申请中进一步描述。但是，在化合物的混合物反应变成离子交换聚合物之前，将无机颗粒加到化合物的混合物中。在无机颗粒之后加入聚合催化剂或引发剂。所得混合物通常通过热或光化学形成片并固化。例如，混合物可以在两个玻璃板之间形成片。可替代地，膜的片可以在其边缘密封的阻挡材料的两个柔韧的片之间形成并从一对压辊拉出。在这种情况下，在辊的辊隙的上游将混合物加到阻挡材料片之间。