离子交换膜的制备

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1、离子交换膜的制备离子交换膜中的主体组分是树脂相，根据需要还可加入粘结剂、增塑剂、着色剂、防老剂、抗氧化剂、脱膜剂等。按照离子交换膜的主体组分可以将其分为均相膜和异相膜。在均相膜的主体组分中，各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面；而异相膜是通过粘结剂把粉状树脂制成片状膜，树脂与粘结剂等组分间存在相界面。为保证离子交换膜的强度和尺寸稳定性，一般还需要网布作为增强材料。一、异相膜的制备异相膜是把粉状树脂与粘结剂混合后制成的片状膜。粘结剂可以采用热塑性的线性聚烯烃及其衍生物，也可以采用聚氯乙烯、聚过氯乙烯、聚乙烯醇等可溶于溶剂的聚合物，还可以采用天然或合成橡胶。根据粘结剂的性能，异相膜的制备方法有以

2、下几种：1. 延压和模压法成膜将粉状离子交换树脂和粘结剂及其它辅料混合后通过延压和模压方式成膜。表 7-1 是典型的异相膜配方。表 7-1 异相膜配方原料名称 阳膜配料 % 阴膜配料 %聚乙烯阳离子交换树脂粉阴离子交换树脂粉聚异丁烯硬脂酸钙酞青蓝2173.704.21.1230705.81.20.1表 7-1 中的聚乙烯是粘合剂，树脂粉是膜的基体，聚异丁烯起粘合、增柔作用，赋予膜弹性，硬脂酸钙为脱模剂和稳定剂，酞菁蓝是染料，使阴膜带上天蓝色，以区别于阳膜的本色。还可以根据使用要求，适当添加防老剂、抗氧化剂等成分。异相膜制备的工艺流程如下：树脂 干燥过筛磨粉过筛 树脂粉配料双辊混炼拉片加网热压

3、异相膜将聚乙烯放人双辊混炼机中，在 110120下混炼，塑化完全后，加入聚异丁烯进行机械接枝。混合均匀后加入硬脂酸钙，然后加进树脂粉，反复混炼均匀。将其在延压机上拉成所需厚度的膜片。再将两张尼龙网分别覆盖在膜片的上下，送入热压机中，于 10.0-15.0 MPa 压力下热压约 45min，即成实用的异相膜。2. 溶液型粘合剂法成膜先将线型高聚物粘合剂溶解在溶剂中，制成粘合剂溶液，再将粉状离子交换树脂分散在粘结剂溶液中，浇铸后，将溶剂蒸发掉成膜。3. 将粉状离子交换树脂分散在仅部分聚合的成膜聚合物中，浇铸成膜后，再完成聚合过程。由于异相膜树脂与粘结剂仅是机械结合，在使用过程中树脂容易发生脱落。二

4、、半均相膜的制备首先用粘合剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交换基团制成含粘合剂的热塑性离子交换树脂，最后像上述异相膜那样的工艺加工成膜。这种方法可以使离子交换树脂非常均匀地分散在粘合剂中，形成互相缠绕的结构，不易脱落，另一方面，可以省去磨粉工序，简化制膜工艺，而且可以避免粉尘对环境的污染和树脂的损失。图 7-5 是制备聚氯乙烯半均相膜工艺流程示意图。粒状聚氯乙烯二氯乙烷溶胀悬浮聚合白球H 2SO4 氯甲醚磺化 氯化磺酸氯型树脂 季铵型树脂 NaOH 处理HCl 处理磺酸钠型树脂 季铵氯型树脂混炼拉片加网热压阳膜 阴膜图 7-5 制备聚氯乙烯半均相膜工艺流程示意图。三、均相膜的制备均相离子交换膜

5、的制造方法，实际上就是直接使离子交换树脂薄膜化。即使离子交换树脂的合成与成膜工艺相结合。均相膜的制造大致分为四个过程：膜材料的合成反应过程、成膜过程、引入可反应基团、与反应基团发生作用形成荷电基团。均 相 膜 有 以 下 几 种 制 备方 法 。1.从 聚 合 反 应 开 始 制 膜 例 如 ， 可 以 将 苯 酚 磺 酸 与 苯 酚 、 甲 醛 先 进 行 部 分 缩 聚 反 应 ， 然 后 将 其 吸 浸 于 多 孔 支撑 材 料 中 或 涂 布 于 网 布 上 ， 再 进 一 步 缩 聚 形 成 阳 离 子 交 换 膜 。还 可 以 将 含 有 环 氧 反 应 基 团 的 料 液 刮 于

6、 尼 龙 网 上 ， 上 下 衬 以 涤 纶 纸 ， 在 油 压 机 上 加热 聚 合 形 成 基 膜 ， 把 聚 合 反 应 过 程 、 成 膜 过 程 、 引 入 反 应 基 团 过 程 三 步 合 成 步 ， 制成 的 基 膜 浸 入 三 甲 胺 溶 液 ， 得 到 甲 基 丙 烯 酸 环 氧 丙 酯 阴 膜 。 2.制 成 基 膜 后 导 入 离 子 交 换 基 团 对于含有反应基团的高聚物可以先将其制成基膜后，再经活化反应导入离子交换基团，制成离子交换膜。如含有多羟基的纤维素、聚乙烯醇基膜，都能进行酰化和酯化反应，使离子交换基团直接导人膜内。这类的高聚物材料很多，如聚苯乙烯、聚氯乙烯

7、、氯化聚醚、聚乙烯亚胺、丁苯乳胶、氯醇橡胶等都可以先制成聚合物薄膜，再导入离子交换基团，成为离子交换膜。3.高聚物中导入离子交换基团后再成膜如聚砜或聚醚砜经磺化后制成磺化聚砜和磺化聚醚砜，把磺化后聚醚砜溶于二甲基甲酰胺中，涂于网布上，待溶剂挥发后即成阳膜。四、新型离子交换膜早期的离子交换膜主要用于电渗析和电化学工艺过程中，随着科学研究的深入和技术进步，离子交换膜的种类不断增加的同时，应用领域也在不断扩大。1双极膜双极膜是一种复合膜，它由具有两种相反电荷的离子交换层紧密相邻或结合而成的新型离子交换膜。在直流电场的作用下，双极膜可以将水离解，在膜两侧分别得到 H+ 和OH- ，它可以形成一种新型的

8、膜过程。双极膜已有商品问世。双极膜的制备方法有：将阴膜、阳膜加热、加压使其成型的方法；在阴膜、阳膜中间涂敷黏合剂使之相互黏合的方法；在同一基膜两侧分别引入阳离子和阴离子交换基团的方法；使阳离子层在阴离子交换膜上流延的方法等。在实验室，由双极膜和阳膜组成的二室模型，可以使葡萄糖酸钠、古龙酸钠等有机酸盐向葡萄糖酸、古龙酸等有机酸转化，同时得到碱液。在环保方面，双极膜和阳膜的组合可以使 NaHSO3 转化为 Na2SO3，而 Na2SO3 又可重新与烟道气中 SO2 反应生成 NaHSO3，达到除硫的目的。一般离子交换膜对同性离子的分离效果不太理想，采用双极膜则大大改善分离效果。如分离、价阳离子时，

9、采用在阳膜表面覆涂一层阴膜薄层的复合膜，由于它的固定荷电基团带正电，对二价离子的排斥力比一价离子强，因此在电场作用下使一价离子更容易穿过阻挡层进入阳膜，达到分离不同价态同性离子的目的。双极膜的研究重点是降低膜电阻、提高选择性、化学稳定性和膜强度；另外还希望双极膜除了具有由阴离子交换层和阳离子交换层组成的两层结构外，在两层之间加入第三层物质以促进水的解离。2螯合膜螯合膜上具有两个或两个以上对金属离子有很大亲和力的功能基团，如磺酸-羧酸、磺酸-磷酸、膦酸-羧酸等功能基团都属于螯合型膜。这类膜一般对特定离子具有选择性透过或吸附的能力。如对聚丙烯- 聚苯乙烯微孔膜进行氯甲基化、胺化及氯醋酸处理，可以得到对 Cu2+、Hg 2+及 Cd2+有选择性的螯合膜等。新型离子交换膜还有同时带有阳离子交换基团和阴离子交换基团的两性膜，它们大多具有生物膜的功能；利用阳离子高聚物电解质同阴离子高聚物电解质相互交错、组合而成的镶嵌离子交换膜。抗污染膜、抗极化膜、无机离子交换膜等也是近年新型离子交换膜的研究领域。