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SBS基材接枝改性双极膜的制备及在电合成中的应用

黄雪红  
【摘要】:以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物(SBS)为基膜,通过自由基接枝聚合在SBS主链上引入羧基作为阳离子交换膜;引入叔胺基团,再季铵化后作阴离子交换膜。流延法制备SBS双极膜。用电子显微镜观察膜的表面及断面形貌,IR分析结果表明:SBS接枝膜中含有-COOH、-CH_2N(CH_3)_2官能团,SBS接枝膜具有良好的离子交换能力和亲水性。 采用两种不同方法在SBS主链上引入强酸基团—磺酸根,增强阳膜传导质子能力。第一种方法:SBS先磺化再与丙烯酸(AA)自由基接枝共聚。红外光谱、膜的含水率和溶胀度测定结果表明:SBS磺化时主链上碳碳双键参与反应,使SBS分子链间发生交联,提高了膜在水中的尺寸稳定性;第二种方法:SBS直接与AA和苯乙烯磺酸钠(StSO_3Na)进行多元接枝共聚,所得的接枝共聚物SBS-g-(AA/StSO_3Na)在水中的溶胀度大,影响了膜的机械强度。以含磺酸基团的SBS双极膜作电解槽隔膜成对电合成乙醛酸,饱和草酸和盐酸的混合液作阴极液,12%乙二醛和10%KBr的混合液作阳极液,石墨为阴极,二氧化铅为阳极。室温、电流密度为16 mA/cm~2下,以BPM6(SBS直接磺化)为隔膜,阴极平均电流效率为79.2%,阳极平均电流效率为64.7%,电压恒定在3.2V左右。以BPM7为隔膜,阴极平均电流效率为78.2%,阳极平均电流效率为75.9%,电压恒定在3.4V左右。 在上述研究的基础上,为了提高SBS接枝膜在水中的尺寸稳定性,在SBS接枝共聚时,同时引入离子交换基团和三甲氧基硅烷基团,经三甲氧基硅烷进一步水解缩合反应生成硅氧交联网络,带离子交换基团的SBS链段嫁接在硅氧无机网络中,限制了SBS分子链在水中的活动空间,从而提高了膜的尺寸稳定和热稳定性。以SBSBPM10(SBS-g-(AA/StSO_3Na-SiO_2)/SBS-g-DMAEMA-SiO_2)双极膜为电解槽的隔膜,阳极电氧化羟基新戊醛为羟基新戊酸,电解过程中,槽电压稳定,最大电流效率为69.8%,平均电流效率为53.8%,电解液中羟基新戊酸浓度为22.84mmol/L;阴极电还原生成丁二酸,平均电流效率为62.5%,丁二酸产率为64.1%。 进一步将含硅氧交联网络的SBS双极膜应用在有机电合成中。以SBS BPM10双极膜为电解槽的隔膜,石墨为电极,阳极室以Ce~(3+)/Ce~(4+)为媒介间接电氧化2,3,4,5-四甲氧基甲苯为辅酶Q_0。O_2在阴极先还原成H_2O_2后,再与乙酸作用间接氧化3,4,5-三甲氧基甲苯为辅酶Q_0。在室温、电流密度10 mA/cm~2反应条件下电解3h,阴极平均电流效率可达58.4%,Q_0的产率为40.2%。阳极平均电流效率可达48.2%,Q_0的产率为48.0%。


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