Development of BPPO-Based Anion Exchange Membrane for Electrodialysis and Diffusion Dialysis

摘要

电渗析(ED)主要用于生产饮用水，咸水淡化，水软化和从水流中除去其他带电污染物。另一方面，扩散透析(DD)是用于分离和回收酸的环境友好型离子交换膜(IEM)分离方法。因此，需要高度稳定的阴离子交换膜(AEM)才能实现这一目标。
　　我们目前的工作重点是开发面向电渗析和扩散透析应用的均相或多孔溴化聚苯醚(BPPO)阴离子交换膜。
　　通过溶液流延法制备了一系列用于ED过程的均相N-甲基吗啉功能化PPO主链阴膜。得到的AEM具有热机械稳定性。此外，它们在室温下碱性介质中比季铵化聚苯醚(QPPO)具有更高的化学稳定性。同时它们拥有更高的离子交换容量(0.39mmol/g～1.72 mmol/g)，含水率(7.28％～27.4％)，离子迁移数(0.96)和较低的离子电阻(1.5Ω.cm2)。具有较高离子交换含量的样品膜显示出更高的脱盐性能。类似的，以二甲基乙醇胺为离子交换基团的PPO基均相阴膜也被开发出来，并用于脱盐。该膜具有0.66 mmol/g～1.38 mmol/g的离子交换容量，11.60％～48.50％的含水率，8.58％～20.21％的体积膨胀率，32.52 MPa～49.22 MPa的拉伸强度和0.94～0.98的离子迁移数。它们在环境温度下显示出比QPPO更高的碱稳定性。该方法制备的均相AEMs在相同的实验条件下表现出比我们以前制备的膜和商业膜Neosepta AMX更高的脱盐性能。
　　此外，通过相转化法由BPPO和二甲基苯胺制备多孔AEM。它们的热稳定性较高，离子交换容量为0.34 mmol/g～0.82 mmol/g，含水率为202％～226％，尺寸稳定性为1.50％～2.60％，接触角为59.18°～65.15°。制备的AEM在环境温度下显示出比商业膜DF-120更高的扩散系数值(UH=0.0016 m/h～0.14 m/h)。另一方面，我们还通过相转化法从BPPO和三苯胺(TPA)制备用于扩散透析(DD)应用的多孔AEM。通过红外表征了样品膜的结构。这些样品膜的含水率为159.3％～243.5％，离子交换容量为0.97 mmol/g～1.49 mmol/g，线性膨胀率为3.23％～6.45％，固定基团浓度为0.0051 mol/L～0.0061 mol/L。此外还研究了TPA浓度变化对AEM的形态影响。不同凝胶介质对AEM的形态和DD性能的影响也得到了探究。得到的结果表明，制备的AEM具有较高的热稳定性，在室温下也显示出较高的酸回收率(UH=0.010 m/h)。另一方面，该膜的酸扩散系数(UH)随着凝胶介质中乙醇浓度的增加而降低。此外，还通过溶液浇铸法制备了用于DD酸回收过程的AEM。这些膜显示出更高的热，机械和化学稳定性，具有1.94 mmol/g～2.38mmol/g的离子交换容量，22.99％～41.49％的含水率和6.38％～11.10％的线性膨胀率。通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)研究了获得的AEM形态。制备的膜在室温下显示更高的酸回收率。本论文为将来用于电渗析和扩散透析应用的高性能AEMs的合成提供了比较简便的方法。