离子膜选择透过机理分析及膜表面涂层、粒子镶嵌改性研究

摘要

离子交换膜首次应用在电渗析脱盐工艺上可以追溯到1956年，经过50多年的发展离子交换膜已经广泛应用于各种工业领域，如：水的回用和深度处理、环境保护、从废酸中回收酸以及金属电积。其中，在金属电积中的应用使离子交换膜受到了越来越多的关注。传统的金属冶炼中，会排放大量的废气、废水，而这也成为制约该行业发展的一个重要因素。新型膜法金属电积工艺的产生，很好的解决了这个问题。离子交换膜作为膜法金属电积工艺中的核心组件，其性能及使用寿命决定着这种新工艺的处理效果。这种工艺中所用的国产异相离子交换膜的选择透过性较差，需要通过改性来提高其性能。通过设计合理的实验，确定适宜的改性方法，对国产膜进行改性获得高选择透过性的离子交换膜。
　　目前，常用“顿南平衡”理论和“双电层”理论解释离子交换膜的选择透过性，但最近的研究表明，这两种理论存在一定的缺陷，它们不能解释通电条件下离子交换膜的选择透过性。而“空穴传导-双电层”理论和孔道封闭理论可以很好的解释在通电条件下离子交换膜的选择通过性。离子在膜内的迁移主要包含两种途径：第一条途径是通过膜内的孔隙进行迁移，直接通过膜孔隙到达膜的另一侧，这个跟离子在溶液中的移动很相似。第二条途径是通过膜内离子交换基团的交换而进行迁移的，此时膜孔隙仅是连接交换基团之间的辅助传递通道，也就是说离子要想通过膜必须多次与离子交换膜上的可交换基团进行交换。为了确定离子在膜内的迁移途径是如何的，进行了电渗析实验：将预处理的阳离子交换膜放在电渗析装置上，测试的时候在膜的两侧分别注入1000mg/L的NaCl溶液，通电10分钟，保持电流强度为0.05A，连续测定10次。测量左隔室中的Mg2+和Na+的增量，第一次通电时，Mg2+的迁移数占总迁移数的95.2％，而Na+占总迁移数的4.8%，随着通电次数的增加 Mg2+的迁移率逐渐降低，而 Na+的迁移率逐渐增高，到第10次通电后，Mg2+的迁移率为6.6%，Na+的迁移率为93.4%。说明溶液中的离子是通过与膜内的反离子进行交换的方式通过膜的。
　　用减小膜孔径这种方法对离子交换膜进行膜改性。通过溶胶-凝胶法进行膜表面涂层和在膜孔内镶嵌纳米二氧化硅的改性方法能够很好的提高离子交换膜的性能。溶胶-凝胶法中，水酯比、醇酯比、pH均会对膜表面涂层的性质产生影响，在最佳条件(n水：nTEOS：n乙醇=6：1：3，pH=4)下，催化剂为盐酸和稀氨水，110℃条件下反应2个小时，改性膜的含水率为31.8%、离子交换容量为2.35meq/g、膜电位为2.99mV，较原膜分别提升了1.6%、0.9%和0.2%，而膜面电阻为5.2Ω·cm2、氯离子泄露率为4.5%，较原膜分别降低了5.5%和56.3%。在镶嵌纳米二氧化硅实验中，70℃真空烘箱中反应2个小时，在PVDF中掺杂不同量的纳米二氧化硅，对比其改性效果：随着纳米二氧化硅掺杂量的增加改性膜的离子交换容量、含水率也逐渐增加，二氯离子泄漏率逐渐减小，当掺杂量高于1.5%时各参数的变化幅度不大，出于实用性和经济性发面的考虑，掺杂量为1.5%比较适宜。

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1 绪 论

1.1课题简介

1.2离子交换膜概述

1.3异相离子交换膜介绍

1.4异相阳离子交换膜的改性

1.5研究的意义和主要内容

2 离子交换膜选择透过性机理的研究

2.1 传统选择透过性理论及不足

2.2离子选择透过性机理新理论

2.3离子迁移途径的验证实验

2.4本章小结

3 异性阳离子交换膜的膜表面涂层改性

3.1 溶胶、凝胶的形成和影响因素

3.2实验方案的确定

3.3改性异相阳离子交换膜

3.4参数的测定方法

3.5结果与分析

3.6本章小结

4 异相阳离子交换膜的粒子镶嵌改性

4.1实验部分

4.2测试与表征

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2建议及不足

5.3展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果