离子交换膜的制备

离子交换膜是离子交换树脂纸张形式。然而，离子交换树脂和膜之间在机械性能，特别是溶胀行为方面存在显著差异。离子交换树脂的机械性能较弱，容易急剧膨胀diluate电解质溶液[14]。解决这一问题最常见的方法是制备具有稳定增强材料衬底的膜，这种材料具有必要的强度和尺寸稳定性。目前用于制备离子交换膜的技术有两种。一种导致更不均匀的结构，另一种导致更均匀的结构。这两种制备方法在专利文献[15-17]中有非常详细的描述。

3.1.1非均相离子交换膜的制备

具有非均质结构的离子交换膜由嵌在惰性粘结聚合物(如聚乙烯、苯酚树脂或聚氯乙烯)中的细离子交换颗粒组成。非均质离子交换膜的特点是膜的相不连续离子交换作用材料。离子通过非均质膜的有效运输需要离子交换颗粒之间的接触或颗粒之间的离子导电溶液。通过将离子交换粉与干燥的粘结聚合物混合，在适当的压力和温度条件下挤压片材，或将离子交换颗粒分散在含有溶解的成膜粘结聚合物的溶液中，将混合物浇铸成膜，然后蒸发溶剂，可以很容易地制备异质离子交换膜。

具有有用的低电阻的异构离子交换膜包含超过65%的离子交换颗粒的重量。含有明显小于65wt%离子交换颗粒的膜具有较高的电阻，而含有明显较多树脂颗粒的膜具有较差的机械强度。此外，非均相膜在溶胀过程中会在聚合物基体中形成水填充的间隙，这既影响了聚合物的力学性能，也影响了聚合物的透选择性。

的离子交换容量非均质膜在1-2eqkg_1干膜范围内，明显低于均质膜在2 - 3eqkg_1干树脂范围内。一般来说，非均相离子交换膜比均相膜具有更高的电阻和更低的透选择性。

3.1.2均质离子交换膜的制备

均相离子交换膜可以通过以下方法制备:含有阴离子或阳离子部分的单体聚合，或含有阴离子或阳离子部分的单体聚合，或通过化学反应将阴离子或阳离子部分引入溶解在溶剂中的聚合物中，或将官能团接枝到预先形成的聚合物膜中。

一种制备正离子和阳离子的方法阴离子交换膜，用于制备商业阳离子交换膜，是苯乙烯与二乙烯基苯聚合并磺化，反应方案如下[13]:

H2c =ch聚合磺化

CH CH

SO3H

SO3H

在第一步中，苯乙烯部分聚合并与二乙烯基苯交联，然后在第二步中用浓硫酸磺化。所得膜具有高的离子交换能力和低的电阻。为了增加机械强度，膜被铸造在支撑屏幕上。

将季胺基团引入聚苯乙烯，经氯甲基化后与叔胺胺化，可得到均相阴离子交换膜，反应方案如下:

上面描述的膜结构及其制备只是两个例子。基本制备程序有许多变化，导致产品略有不同。代替苯乙烯，通常使用取代苯乙烯，如甲基苯乙烯或苯乙酸酯，取代二乙烯基苯单体，如二乙烯基乙炔或丁二烯。

近年来，通过磺化溶解聚砜[18]制备了具有良好力学和化学稳定性和良好的离子交换容量的阳离子交换膜。磺化用氯磺酸进行，方案如下:

将磺化聚砜与未磺化聚合物在n-甲基吡咯烷酮等溶剂中混合，得到具有不同离子交换容量的膜。通过改变磺化与非磺化聚合物的比例，可以很容易地将固定电荷密度调整到所需的值。磺化聚砜可在屏幕上铸成薄膜。在溶剂蒸发后，得到了具有良好化学、机械稳定性和电化学性能的增强膜。

以聚砜为基础的阴离子交换膜可以通过主聚合物的卤甲基化和随后与叔胺反应而制备。

对于阳离子交换膜的制备，也使用聚醚醚酮作为基本聚合物。它可以很容易地用浓硫酸磺化，按以下方案:

磺化作用只发生在一个聚醚醚酮块上，因此很容易控制。为了获得具有不同离子交换能力的膜，可以将磺化聚醚醚酮与聚醚砜在n-甲基吡咯烷酮等溶剂中混合。通过改变磺化聚醚醚酮与聚醚砜的比例，可以很容易地将固定电荷密度调整到所需的值。

3.1.3特殊性能膜

除了上述单极膜外，还有大量特殊性能的膜用于各种应用，如用于某些废水处理的低污染阴离子交换膜或用于氯/碱生产的表面有一层弱解离羧酸的薄层复合膜双极膜由一层阴离子和一层阳离子交换层组成，用于产生质子和氢氧根离子，将盐转化为相应的酸和碱。文献[2,19,20]详细描述了制备工艺。

阳离子交换膜是近年来在技术上和商业上最重要的阳离子交换膜之一全氟化碳聚合物。这种类型的膜具有极端的化学和热稳定性，它们是氯/碱性电解以及当今大多数燃料电池的关键组成部分。它们是由四氟乙烯与在侧链末端具有羧基或磺酸基的全氟乙烯醚共聚制备的。目前，市面上有几种通用基本结构的变体[21]。专利文献中详细描述了各种制备技术。

目前市售的全氟碳膜具有以下基本结构:

全氟碳膜的合成相当复杂，需要一个多步骤的过程。除了各种全氟阳离子交换膜外，还开发了全氟阴离子交换膜。阴离子交换膜具有相似的化学性质热性能就像阳离子交换膜。

继续阅读:电渗析工艺及系统设计

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