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功能高分子膜的制备及其在电合成中的应用

陈妮娜  
【摘要】: 近几十年来,膜领域的研究主要集中在膜材料合成、膜制备和膜应用三个方面,特别是在膜传质机理、膜材料稳定性及相转化成膜机理等方面许多研究学者已进行了大量的研究;我国科学家在膜材料微结构及其在应用过程中的演变规律也开展了很有成效的工作。双极性膜是近年来发展比较迅猛的一种新膜,它是由阳离子交换层(N型膜)和阴离子交换层(P型膜)复台而成的一种新型离子交换复合膜,是近年来从离子膜中分开并单独成为比较活跃的研究领域。由于阴阳膜的复合,给双极膜的性能带来了很多新的特性,如同半导体技术,由于P-N结发现,导致了许多新型半导体器件的发明一样,使用具有不同离子电荷密度、厚度和性能的膜材料,在不同的复合条件下,可制成不同性能和用途的双极膜,如不同价态离子的分离膜、防结垢膜、抗污染膜、反渗透膜、水解离膜等。以双极膜技术为基础的水解离领域已成为电渗析工业中新的增长点,也是巨前增长最快和潜力最大的领域之一。 双极性膜与阳膜和(或)阴膜配合使用可以实现离子交换反应,已应用于酸碱的回收与制备。单独使用双极性膜可以进行电解反应。比如,用双极性膜电解法生产亚硝基嘧啶会比传统的加硫酸电解法更加简便高效。双极性膜还有一些特殊的应用。如将双极性膜反着使用,可以把氢离子和氢氧根离子反应成水的能量变为电能。在电场下,双极性膜还可以起到分子筛作用,用于气体分离。 本硕士论文主要分为以下四个部分来阐述: 第一章绪论。 阐述了双极膜材料的研究进展,着重介绍了壳聚糖、羧甲基纤维素、淀粉及聚丙烯酰胺高分子材料。 第二章mCMC-PEG-CS双极膜的制备及在电还原制备巯基乙酸中的应用。 以Fe~(3+)改性羧甲基纤维素(CMC)和聚乙二醇(PEG)共混为阳膜;以戊二醛改性壳聚糖(CS)和聚乙二醇共混为阴膜,制备了mCMC-PEG-CS双极膜。研究结果表明,在壳聚糖和羧甲基纤维素阴、阳膜材料中引入亲水性的聚乙二醇后,因分子间的相容性增大,从而提高了双极膜的离子交换容量,并减小了膜的溶胀性。当CMC∶PEG质量比等于10∶1和CS∶PEG质量比等于2∶1时所制得的双极膜具有良好的电化学性能,在酸碱溶液中机械强度高、溶胀小。 将mCMC-PEG-CS双极膜作为电解槽隔膜,用于电解还原制备巯基乙酸(TGA),研究了酸浓度、温度及电解电流密度对电还原DTDGA制备TGA的生成量和电流效率的影响。实验结果表明,TGA初始合成质量分数为2.79%、电流密度为10 mA/cm~2、35℃下电解,阴极室电还原产物巯基乙酸的电流效率为74.69%,电解过程中的平均电流效率为54.02%。与传统的金属还原法还原DTDGA制各TGA相比,不仅省去了昂贵的金属还原剂锌的消耗,而且消除了反应副产物锌泥对环境的污染。 第三章Br03-/Br"电对电催化氧化合成双醛淀粉的研究。 在隔膜电解槽中,以Pb为阳极,将淀粉和溴化钠的酸性水溶液直接加入到阳极室中,以BrO_3~-/Br~-电对为氧化媒介,间接电合成双醛淀粉。测定了稳态极化曲线,考察了不同温度、硫酸浓度、淀粉浓度对NaBr间接电合成双醛淀粉的影响。在35℃下,阳极电解液中W_(NaBr)=2%,C_(H_2SO_2)=0.05 mol/L,W_(淀粉)=10%;阴极液中C_(H_2SO_4)=0.05 mol/L;电流密度15mA/cm~2,电流效率大于50%。 第四章HPAM-CPAM双极膜的制备及在电氧化双醛淀粉中的应用。 以聚丙烯酰胺(PAM)为原料合成阴离子型聚丙烯酰胺(HPAM)和阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)聚合物,制备HPAM-CPAM双极膜,该膜在酸中的溶胀率较小,能稳定存在于酸溶液中。以NaBr为原料,以自制的HPAM-CPAM聚合物双极膜为电解槽隔间,间接电氧化合成双醛淀粉,整个电解过程中电流效率最高可达69.3%,平均41.79%。在电场的作用下,双极膜中水离解产生H~+和OH~-,生成的OH~-及时传输入阳极室中可及时中和NaBrO_3电生成过程中的产生的H~+,从而提高了正向反应速率及双醛淀粉的产率。


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