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静电纺丝技术制备离子交换膜

潘杰峰  
【摘要】:在众多制备纳米级纤维结构材料的技术中,静电纺丝术是目前为止最简单有效的方法之一。利用其自身多孔的特征,通过简单的溶剂气氛处理和热压技术,可以将多孔性电纺纤维毡转变为独特的致密膜结构。大量的文献报道了利用静电纺丝技术制备各种分离膜材料,其中就包括了各种不同形态,不同孔道结构,不同化学成分和功能基团的离子交换膜。相对于传统的流延法制膜工艺,静电纺丝技术为离子交换膜内部微观结构的调控提供了绝佳的手段,为离子在膜材料的设计提供了更多的选择性,也为离子在膜内部的传输现象提供更好的依据和解释。因而,持续研究静电纺丝技术在离子交换膜领域的应用将是被大家关注的,具有重大意义的课题。 在上述研究背景下,结合自己对静电纺丝技术和荷电膜材料的理解和探究,本文着力于开发一类基于静电纺丝技术的新型离子交换膜,利用静电纺丝技术微观结构的可控性,将新型结构的膜材料引入到离子交换膜,并探索其在各个分离领域的应用潜能,主要内容如下: (1)通过静电纺丝和热压结合成功制备了基于SPPO(磺化聚苯醚)的阳离子交换膜H-ESPPO(热压-电纺SPPO阳离子交换膜),并深入探讨了聚合物浓度、电压、TCD(针尖和接收器间距)和热压条件等对膜结构的影响。同时将这种特殊结构的阳离子交换膜应用于碱回收(Na2WO4/NaOH体系),获得相应的OH-扩散系数(UOH,0.0097m/h)和分离因子(S,37.02)。相对于常规的Casting方法制备的SPPO膜的OH-扩散系数(UOH,0.0060m/h)和分离因子(S,21.66),H-ESPPO有大幅度的提高。而对比以前报道应用于DD中的阳离子交换膜的OH-扩散系数有(UOH,0.0014-0.0022m/h), H-ESPPO表现出接近于四倍UOH的优越的DD性能。 (2)基于静电纺丝技术制备了新型杂化阴离子交换膜H-EQPPO-SiO2。通过调节电纺工艺参数制备出无珠、直径较低且分布均匀的纳米纤,并且通过结合溶剂蒸汽处理及热压技术进一步调控离子交换膜内部形态结构。并将阴离子交换膜H-EQPPO-SiO2成功应用于酸回收扩散渗析之中。在室温条件下,氢离子的扩散系数(UH)和分离因子(S)分别达到70.28×10-3m/h和68.05,远高于流延法制备的同等材质的杂化阴离子交换膜以及现存的商业膜DFl20。 (3)开发出基于静电纺丝技术的双极膜的制备方法。并以PPO系列膜为例,分布用SPPO、QPPO和PEG分别为阳离子、阴离子交换层和中间层制备出一系列三明治结构的新型双极膜,每一层的厚度都可以通过调节电纺丝参数有效精确控制。最终优化后的膜材料在100mA/cm2电流密度下,相对于传统方法8.75V的解离电压,展现出非常低的值(2.5V)。此外,优化后的EBPM膜在保持与传统CBPM相同的酸碱产量的前提下,膜堆电压仅为传统CBPM的1-4。 (4)利用静电纺丝技术结合溶剂处理和热压技术成功制备了基于SPPO的一系列内部包含阳离子荷电聚合物(QPPO)的新型镶嵌膜。利用多针头静电纺丝技术,轻易调节其针头的配比进而调控其内部QPPO和SPPO的配比。利用FTIR,SEM和TEM技术进一步证明了其内部复合的化学和物理结构。利用荷电膜内部包含的阴离子荷电聚合物为质子传输提供通道,而嵌入的阳离子荷电聚合物则在低一价离子阻碍作用的前提下,利用静电排斥作用对多价金属离子起到有效的阻挡作用,进而达到对单价离子选择性透过的目的。同时对比商业化一二价离子选择膜CSO,电纺质子选择膜不仅保证了质子的表观通量,同时其低的Zn2+泄露率、高的选择因子(SH+Zn2+),以及良好的机械性能和热稳定性,证明其电纺技术在质子选择性膜的中潜在应用。


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