等離子體表面接枝及涂覆改性陽離子交換膜.pdf

1、膜分離技術(shù)是一種高效且經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)處理技術(shù)。它是利用膜特殊的分離性能，在外界壓力差、濃度差、電位差等作為推動(dòng)力下，使某些特定物質(zhì)（如有機(jī)分子、無機(jī)離子、重金屬等）從系統(tǒng)中被分離出來。具有不同功能的分離膜（如離子交換膜、超濾膜、反滲透膜等）作為膜分離技術(shù)的核心，它在膜技術(shù)中擁有不可替代的地位。離子交換膜由于其表面帶有特定離子基團(tuán)，能夠使得膜在應(yīng)用過程中只允許特定離子透過（如陽離子交換膜只允許陽離子透過，而阻擋陰離子），這種對(duì)離子選擇性通過的

2、能力稱為膜的選擇透過性。也正是由于離子交換膜的這種特殊性能，才使其具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。但是目前國(guó)內(nèi)外商品離子交換膜選擇透過性僅為88％～96％左右，在分離過程中仍有部分反電荷離子發(fā)生泄露，同時(shí)膜的對(duì)惡劣環(huán)境的耐受力有限，因而膜分離技術(shù)在很多使用場(chǎng)合受到限制，而難以取得理想的使用效果。
　　本文在分析了前人對(duì)離子交換膜的選擇透過性機(jī)理的研究后，認(rèn)為對(duì)于離子交換膜的選擇透過性機(jī)理的解釋，早期的以頓南平衡理論為主的理論存在著明顯的缺陷一

3、一它僅僅表征了在靜電場(chǎng)（無外界電場(chǎng)作用）下，離子透過離子交換膜的過程，對(duì)于電積工藝中的離子狀態(tài)則不適用。而由王三反等人提出的膜電位排斥理論能更加準(zhǔn)確的解釋在電場(chǎng)作用下膜的選擇透過性機(jī)理，“膜電位排斥——孔道封閉”理論表明增大膜表面及膜孔道內(nèi)的電位，同時(shí)控制膜孔徑大小，使得膜電位作用范圍大于膜孔直徑，就能夠明顯提高膜的選擇透過性，改善膜的整體性能。
　　首先，研究利用等離子體輝光放電技術(shù)將兩性物質(zhì)苯磺酸甜菜堿(SBMA)單體接枝在以

4、聚苯乙烯為基體的陽離子交換膜上?？疾煸诓煌又误w濃度、等離子體放電時(shí)間、放電功率和放電氣體氛圍條件下，膜改性效果的差別。同時(shí)對(duì)改性前后膜進(jìn)行SEM、FTIR，以及膜的氯離子泄露率、電阻等性能測(cè)試，表征膜的選擇透過性及表面結(jié)構(gòu)變化。測(cè)試結(jié)果表明:在SBMA濃度為60 g/L，等離子照射強(qiáng)度為0.7 W/cm2，照射時(shí)間為7 min，照射氣體氛圍為氬氣的條件下，離子交換膜改性效果最佳。在最佳狀態(tài)下，原膜經(jīng)過改性后含有的活性基團(tuán)明顯增多，且

5、表面致密均勻整體，各方面性能得到很大提升，其中膜的氯離子攔截效率由原膜的86％提升至98％以上，膜電阻由原來的13.695Ω·cm2下降到6.547Ω· cm2。分析認(rèn)為接枝改性過程提高離子交換膜的表面電位作用范圍，同時(shí)借助于SBMA的自聚作用，對(duì)膜表面的大孔進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆舛拢罱K實(shí)現(xiàn)對(duì)反電荷離子的阻擋，達(dá)到提高膜的選擇透過性的目的。
　　其次，針對(duì)現(xiàn)有商品膜膜面電阻較高、耐腐蝕性差等缺陷，利用聚氟高分子良好的抗氧化性和納米氧化物的

6、強(qiáng)導(dǎo)電性特點(diǎn)，將它們以一定的比例和濃度均勻涂覆在膜表面上，通過適當(dāng)?shù)牡入x子體放電反應(yīng)，使得涂覆物質(zhì)牢固結(jié)合在膜表面，最終實(shí)現(xiàn)改善膜的抗氧化性，并降低膜面電阻的目的。實(shí)驗(yàn)考察了涂覆材料種類、復(fù)合涂層的配比、復(fù)合涂層的濃度及等離子照射強(qiáng)度對(duì)改性效果的影響。結(jié)果表明:復(fù)合涂覆材料為PTFE-Ti O2，PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％, TiO2/PTFE質(zhì)量之比為0.2％，放電功率為1 W.cm-2，放電時(shí)間為10 min時(shí)，改性效果最優(yōu)異。最佳條

7、件下，原膜經(jīng)過表面涂覆改性后改性后表面致密均勻，膜整體性能變得更佳優(yōu)異，膜抗氧化性能測(cè)試耐破度由0.41 Mpa提高到1.56 Mpa，提升了近四倍，離子交換膜應(yīng)對(duì)惡劣生產(chǎn)環(huán)境的能力得到極大改善，膜電阻降低了近50％，導(dǎo)電性能更加優(yōu)異。
　　最后，為驗(yàn)證膜的改性效果，將改性膜及原膜應(yīng)用在小型膜法鈷電積工藝內(nèi)進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定改性膜的在應(yīng)用過程中的選擇透過性、能耗及穩(wěn)定性，表征改性膜的應(yīng)用效果。在選擇透過性測(cè)試中，未改性前的膜安裝在

8、工藝中時(shí)氯氣產(chǎn)生率基本維持在14％左右，即商品陽離子交換膜的選擇透過性在86％左右。在使用改性接枝后的離子交換膜后，電積工藝的氯氣產(chǎn)生率為2.5％上下浮動(dòng)，表示改性后的陽離子交換膜的選擇透過性達(dá)到97.5％;在電能消耗測(cè)試下，改姓后的陽離子交換膜膜應(yīng)用于電積鉆工藝時(shí)的電流效率比原膜高2％左右，達(dá)到96.5％，且在電積進(jìn)行15h后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)維持系統(tǒng)電壓及系統(tǒng)電流相同的情況下，改性膜系統(tǒng)的單位耗能比原膜系統(tǒng)降低了100 Kw.

9、h。在穩(wěn)定性測(cè)試中，改性后的膜在連續(xù)運(yùn)行288 h內(nèi)，其氯離子泄漏率穩(wěn)定在10％左右;在運(yùn)行時(shí)間超過288 h后，膜的氯離子泄露率隨運(yùn)行時(shí)間增加不斷下降，并在運(yùn)行時(shí)間為384 h時(shí)，其氯離子泄漏率重新升高到未改性前的原膜水平。而原膜在運(yùn)行96h后，就發(fā)生急劇變化，運(yùn)行到168 h后，膜的氯氣生成率突破20％，到電積240 h后，突破30％，膜對(duì)氯離子的阻攔效果變得極差。平行實(shí)驗(yàn)表明，改性后的膜在應(yīng)用過程中的效果依然穩(wěn)定可靠，可以考慮進(jìn)一