[发明专利]一种双极膜及其制备方法

说明书

一种双极膜及其制备方法，属于膜技术领域。在阴离子交换膜表面通过超声喷涂设备对所喷涂溶液进行雾化，层层喷涂粘合剂和阳膜层物质；具体方法包括：将阴离子交换膜裁剪成样膜浸泡于去离子水中一周；取出部分样膜用不锈钢丝固定于覆有保鲜膜的泡沫板上，待样膜表面干燥后即可进行喷涂，喷涂各溶液通过气密注射器进液，在超声作用下雾化生成纳米尺度液滴，均匀分散到样膜表面，首先喷涂一定量粘合剂，然后按一定比例逐层喷涂亲水性聚电解质、金属螯合剂、磺化试剂三种物质。本发明的新型双极膜突出效果是双极膜整体较薄，I‑V曲线测定膜两侧压降小，双极膜电渗析过程酸碱产量大。

技术领域

本发明涉及一种双极膜，具体以聚电解质SA/PSS通过超声喷涂在FeCl3作用下进行螯合反应生成阳膜层的双极膜及其制备方法，属于膜技术领域。

背景技术

双极膜(BPM)是一种新型的离子交换复合膜，它通常是由阳离子交换膜层(CM，N型膜)和阴离子交换膜层(AM，P型膜)两单极膜复合而成。目前，公知的双极膜的制备方式包括热压法、粘合剂法、同一张膜两侧分别引入阴阳离子交换基团法、无机材料粘合法、流延成型法。实验选用超声喷涂层层自组装技术进行实验，由于其可通过吸附相反电荷的聚电解质形成纳米尺度的薄膜，已广泛应用于膜制备和表面改性。传统膜表面改性方法通常在膜表面会形成额外水阻力层，降低水通量。而层层自组装技术下制备的膜层处于分子水平，能够有效减轻水阻力的增加和水通量的降低。此外，该技术还可以根据不同目的调整表面电荷种类，为功能纳米材料提供更多结合位点，实现膜表面多功能化。随着自组装技术的改进，超生喷涂制膜可以产生致密的纳米级尺度薄膜，通过改变物质浓度、喷涂距离、喷涂次数等参数可将膜层控制在纳米级。此外，通过控制喷嘴雾化程度，可以使雾化液滴均匀分散到基膜表面，形成光滑致密膜层。

双极膜阴阳膜层进行改性，不但可以提高阴阳膜层的性能，而且可引起阴阳膜层内侧的中间界面层结构和性能发生变化，从而促进其中水的解离，达到降低双极膜的膜阻抗与跨膜压降(IR降)，降低能耗和生产成本的目的等。Moon等人将氢氧化铁/氧化铁和硅溶胶负载于离子交换膜表面，研究表明在相同的电流密度下，用氢氧化铁/氧化铁改性的阳离子交换膜水解离效率较未改性的阳离子交换膜提高了10^4到10^5倍。同样的，用硅溶胶(含Si-OH基团)沉积在阴离子交换膜表面后，大大提高了离子的迁移能力金属氧化物/氢氧化物和硅溶胶可用作水解离催化剂，在强电场作用下，可促进水的极化，从而提高水的解离效率等。

徐铜文等在双极膜的阴膜层中引入叔胺/伯胺及仲胺基团，研究表明不同的季铵官能团双极膜的水解离性能遵循如下的顺序：三丁胺双极膜>三乙胺双极膜>二甲氨基乙醇双极膜>三丙胺双极膜>三甲胺双极膜，双极膜的水解离性能与阴膜层的胺基团的pKb值有直接的关系，随着形成功能基团的pKb值的增加，双极膜的催化水解离能力下降。由于聚合物链会影响功能基团的活性，因此，酸的解离常数或pka值只能作为固定基团实际解离常数的参考，这与胺的氢原子被有机基团取代后生成叔胺和仲胺所引起的解离常数变化是类似的。一些弱的离子交换基团能满足所需要的离解常数或pka值。叔胺能降低双极膜双极膜中水解离电势的现象在文章中也已经有所提到。

Stamatialis等研究发现官能团的数量和中间界面层含水率对膜阻抗有很大的影响，官能团数量越多，中间界面层含水率越高，膜阻抗越小。他们用季铵基团取代阴离子交换膜层中的二环胺，结果表明双极膜的膜阻抗显著降此外，还研究了吡啶基团对中间界面层的影响，发现改性后双极膜催化水解离效率有所提高。