高选择性离子交换膜的制备表征及工艺改进

摘要

膜分离技术作为一种高新的分离手段，具有在分离过程中不产生相变化、分离温度低、选择性好、能耗低等优点。离子交换膜是分离膜的一种，其由高分子骨架、固定集团及基团上的可移动离子三个主要部分组成。按照其固定集团电荷种类分为阴、阳两种离子交换膜。阳离子交换膜由于表面带有负电荷，在电解池模型中，阳极室中的阳离子在电场力的作用下可以透过阳膜达到阴极一侧溶液中，而阴离子则无法透过膜。反之阴膜也同样具有允许阴离子迁移透过膜，而阻挡阳离子透过的能力。这种能力称之为离子交换膜的选择透过性能。然而目前国内外商品离子交换膜选择透过性仅为88％～96％左右，在分离过程中仍有部分反电荷离子同时透过膜，这极大地限制了离子交换膜的应用效果。
　　本论文以“高选择透过膜与膜精炼产业化技术开发”项目为背景，研究在离子交换膜参与的电积钻工艺中，如何通过改进制膜工艺提高阳离子交换膜的选择透过性，提高氯离子的抑制率，进而减少氯气对环境的污染。实验通过建立离子交换膜评表征评价体系;改变原材料种类配比、加工温度、时间、压力等工艺参数实验迭代生产离子交换膜两方面工作，探讨如何在经典工艺下提高离子交换膜选择透过性，并期待通过改进工艺得到选择透过性、抗氧化性、机械性、膜电阻等各项指标优良的适用于膜电积产钻工艺的离子交换膜。实验设计上包含三个部分，概括如下:
　　丰富并量化了离子交换膜的表征方法体系。离子交换膜没有固定成型的行业测试标准，本实验从一般性能指标、电学性能指标和传质性能指标三大类指标出发将离子交换膜的性能表征方法细分为9个小类，分别确定其测试方法。并依据离子交换膜的实际使用需求，选取了耐破度、离子交换容量、氯离子抑制率等五个指标作为代表性参数，通过适当公式变换，将指标的参数统一划归到0～1之间。将五个维度指标变化后的数值绘制于一张雷达图中直观表现，通过离子交换膜雷达图中呈现图形的面积与周长乘积的开方来量化表征离子交换膜的综合性能。
　　研究了经典工艺提高离子交换膜性能的可行性。实验选用了在制造离子交换膜领域应用最为广泛的HDPE黏结剂和001×7苯乙烯树脂作为研究材料，通过改变两者配比，加工工艺温度以及热压时间参数，观察改变工艺配方、参数后离子交换膜性能上的改变，通过分析发现改进工艺配方、参数对离子交换膜性能有一定程度的提升，在离子交换树脂占比75％、140℃加工温度、30min热压时间的条件下制得的离子交换膜性能较Ionsep(@)MC-C商品膜有一定幅度的提升。
　　探索了新材料、新工艺条件提升离子交换膜性能的可行性。实验通过对现有离子交换膜两大主要组成部分离子交换树脂和黏结剂材料的分析，综合考虑材料的相容性、加工性、材料本身的性能、易得性、环保性等多方面性能，选取了HDPE、LLDPE、PVC、PVDF、硅烷交联聚乙烯、001×7、001×12、D001×8等多种材料相互组合，验证新材料成膜后的各项性能指标的表现，并试图分析其表现的原因，找到新材料提高离子交换膜性能的方向。研究表明选用硅烷交联聚乙烯和D001×8材料制得的离子交换膜在几种离子交换膜中性能最优，说明增加两种材料相容性、提高树脂离子交换容量、适当提高材料交联度的方向有助于提高新材料的成膜性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 离子交换膜概述

1．1．3 离子交换膜的应用

1．1．4 离子交换膜的发展概况

1．2 离子交换膜的制备方法

1．2．3 异相离子交换膜的制备

1．3 研究课题的背景、思路及意义

1．3．1 课题背景

1．3．2 研究思路

1．3．3 研究意义

2 离子交换膜的表征方法及评价体系

2．1 试验试剂及主要仪器

2．2 主要性能指标及其检测

2．2．1 离子交换膜的结构和主要性能要求

2．2．2 一般性能指标

2．2．3 电学性能指标

2．2．4 传质性能指标

2．3 基于雷达图分析法的综合评价体系

2．3．1 雷达图分析法

2．3．2 雷达图分析指标选取

2．3．3 雷达图分析指标的数据处理

2．3．4 商品膜的雷达图分析结果

2．4 本章小结

3 聚乙烯制备非均相阳离子交换膜生产工艺研究

3．1 主要试验材料与设备

3．1．1 试验材料

3．1．2 设备仪器

3．2 试验方法

3．2．1 离子交换树脂的处理

3．2．2 黏结剂的密炼

3．2．3 填料的分散和分布

3．2．4 胶料的开练与拉片

3．2．5 网布热压与成型

3．3 结果与讨论

3．3．1 离子交换树脂粉含量对成膜性能影响

3．3．2 不同热压时间对膜性能产生的影响

3．3．3 热压温度对离子交换膜的影响

3．3．4 优选离子交换膜与商品膜性能比对雷达图

3．4 本章小结

4 新材料生产非均相离子交换膜的改进工艺研究

4．1 试验材料的选择

4．1．1 离子交换树脂的选择

4．1．2 黏结剂的选择

4．2 主要试验材料与设备

4．2．1 试验材料

4．2．2 设备仪器

4．3 试验方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 新材料对离子交换膜IEC含量影响

4．4．2 新材料对离子交换膜膜电阻的影响

4．4．3 新材料对离子交换耐破度的影响

4．4．4 新材料对离子交换膜迁移数的影响

4．4．5 新材料对离子交换膜氯离子抑制率的影响

4．4．6 新材料对离子交换膜综合雷达指数的影响

4．4．7 新材料工艺的膜与商品性能比较

4．5 本章小结

5 主要结论与展望

5．1 研究结论

5．2 建议与不足

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果