[发明专利]一种带有阴离子基团碳纳米管改性双极膜的制备方法

说明书

技术领域

     本发明涉及一种双极膜的制备方法，具体说是带有阴离子基团的碳纳米管改性双极膜的制备方法。

背景技术

双极膜(Bipolar Membrane, BPM)，是一种近年来发展比较迅猛的新型离子交换复合膜，它通常是由阳离子交换膜层(N型膜)和阴离子交换膜层(P型膜) 复合而成，由于阴、阳膜层的复合，给这种膜的传质性能带来了很多新的特性。

与普通电解相比，双极膜电渗析有许多优点，因此在食品工业、化工行业、生命科学以及污染控制、资源回收、有机酸的分离与制备等方面有非常广泛的应用。双极膜中间界面层水解离效率直接影响双极膜的电阻压降（即膜IR降）和槽电压的大小，对双极膜阴、阳两膜层进行改性，以促进中间界面层水解离，从而降低双极膜的IR降和槽电压，降低能耗，减少电槽电化学副反应的发生已成为当前双极膜研究的热点。

自Iijima于1991年发现碳纳米管(CNTs)以来，由于其大的比表面积及独特的电学、机械和结构特性，已引起科学工作者广泛的兴趣和关注。根据其自身结构的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。尽管碳纳米管具有这些优越性，但由于其在水溶液中的分散性差，故其应用受到限制。为了改善其分散性，可通过适当的方法在其表面引入某些亲水性的官能团，例羟基、羧基、氨基、表面活性剂及亲水性的聚合物等。

本发明利用带有阴离子基团的碳纳米管改性双极膜，以提高双极膜内侧比表面积和孔隙率，增强两膜层相容性和与水分子间的相互作用。含阴离子基团碳纳米管具有表面效应、界面作用以及存在相当多的配位数不饱和键的特点，膜与水分子之间作用力的增强可减弱水的键合力，促进中间界面层水的解离，从而降低双极膜的IR降和槽电压，同时提高双极膜的机械性能和热稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在阳离子交换膜中掺杂带有不同阴离子基团的碳纳米管以改性双极膜的方法，所制备的双极膜具有低的膜阻抗和高的两膜层相容性等优良性能。

本发明的目的是通过如下方案实现的：

1、含阴离子基团碳纳米管改性阳离子交换膜层的制备

准确称取羧甲基纤维素钠（CMC）或海藻酸钠（SA），配制成质量分数为1～10％ 的CMC水溶液或SA水溶液；另取聚乙烯醇（PVA），用蒸馏水加热搅拌溶解，加入到上述制备的CMC水溶液或SA水溶液中, 搅拌均匀，得PVA-SA水溶液或PVA-CMC水溶液。准确称取带阴离子基团的碳纳米管(CNTs)，加入乙醇中，用超声波振荡，使其分散均匀，加入到上述制备的PVA-SA水溶液或PVA-CMC水溶液中, 搅拌均匀，减压脱泡，得到粘稠膜液。将粘稠膜液流延于平整的培养皿中，在室温下风干成膜，先用质量分数为1～10％ 的FeCl₃溶液浸泡交联10～30 min，后用蒸馏水冲洗干净，自然风干，即得PVA-CMC-CNTs阳离子交换膜或SA-CMC-CNTs阳离子交换膜。

上述步骤中，聚乙烯醇PVA与CMC或SA之间的质量分数比为 0.5～1：1。

上述步骤中，碳纳米管与CMC或SA的质量分数比为 1～100：1000。

所述的阴离子基团为磺酸基（-SO₃^–）、羧基（–COO^–）或羟基（–OH^–）。

所述的带阴离子基团的碳纳米管(CNTs)是指可直接购置带阴离子基团的羧基碳纳米管和羟基碳纳米管(CNTs)，或将购置的碳纳米管(CNTs)采用公知的技术进行预处理，使其负载上磺酸基成为带阴离子基团的磺酸基碳纳米管。

2、壳聚糖阴膜液的制备

称取一定量的壳聚糖(CS)，用质量分数为1～10％的乙酸水溶液搅拌溶解，配制成1～10％壳聚糖乙酸水溶液，边搅拌边缓慢滴加体积分数为2.5%的戊二醛溶液，减压脱泡，即可得到粘稠的CS阴膜液。

上述步骤中，壳聚糖乙酸水溶液与戊二醛溶液体积比为1000︰2～8。

3、双极膜的制备

采用流延、叠合、粘合或热压的方法将CS阴膜液制膜并固定在所制备的阳膜层上，在室温下风干，即得PVA-CMC-CNTs/CS双极膜或SA-CMC-CNTs /CS双极膜。

本发明的优点在于：

本发明涉及的利用带阴离子基团的碳纳米管改性阳膜层，使双极膜具有水解离效率高，膜阻抗小，槽电压低，两膜层相容性好等特点。