壳聚糖/壳聚糖季铵盐交联共混阴离子膜的制备及其在电合成中的应用

摘要

壳聚糖膜是自然界中唯一荷正电的天然生物大分子膜，具有良好的化学稳定性、热稳定性，以及足够的机械强度，作为有机电合成的隔膜是一个很有潜力和价值的选择。然而壳聚糖膜的导电性能并不理想，直接做为离子交换膜材料在电化学合成中受到限制，因此所查文献中尚未见报道将其应用于电合成中。本课题采用共混改性的方法，以制备具有优良综合性能的膜材料。
　　 本课题在成功地合成了壳聚糖季铵盐，并讨论了其最佳合成工艺条件的基础上，采用简单的机械共混的方法，并以戊二醛为交联剂，制备出了壳聚糖/壳聚糖季铵盐交联共混阴离子膜，并对该膜进行了初步表征及其相关性能的探讨。研究表明膜呈现出良好的电化学性能，当HACC的质量分数为25％，膜的交联度为0.2％时，共混膜IEC为1.97mmol·g-1，面电阻2.67Ω·cm2，离子迁移数为0.91。而膜的含水量较高、机械强度稍低，当HACC的质量分数为25％，膜的交联度为0.2％时，共混膜干强与湿强分别为53.10MPa和8.40MPa，含水量66.4％。研究表明壳聚糖/壳聚糖季铵盐共混膜的整体性能良好，有望在电合成的实际应用中作为阴离子交换膜使用。
　　 本文研究了共混膜的实际应用效果，以共混膜为隔膜，进行电解合成反应，阴极还原葡萄糖制备山梨醇。实验成功的制备了山梨醇，并发现壳聚糖/壳聚糖季铵盐共混膜较玻璃砂芯隔膜、聚乙烯异相阴离子膜具有更高的电导率，能获得更高的电流密度。实验表明CS/HACC交联共混阴离子膜有较高的电流密度，当电解条件为：葡萄糖浓度0.1mol·L-1，支持电解质Na2SO,浓度0.15mol·L-l，电流密度为5.0A/dm2时，最佳电流效率达44.9％。
　　 本文还研究了以壳聚糖/壳聚糖季铵盐共混膜作为电合成隔膜，填充活性炭作为三维电极，在无需溶剂与支持电解质的情况下，直接电解还原苯甲醛，成功制备出了苯甲醇。壳聚糖/壳聚糖季铵盐共混膜及活性炭作为三维电极应用于电解合成装置中，具有新颖性，有很强的应用前景。
　　 本文将膜技术与电化学技术结合，用于有机电化学合成，具有社会、经济综合效益以及环境效益。