靜電紡絲技術(shù)制備離子交換膜.pdf

1、在眾多制備納米級(jí)纖維結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)中，靜電紡絲術(shù)是目前為止最簡(jiǎn)單有效的方法之一。利用其自身多孔的特征，通過簡(jiǎn)單的溶劑氣氛處理和熱壓技術(shù)，可以將多孔性電紡纖維氈轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)特的致密膜結(jié)構(gòu)。大量的文獻(xiàn)報(bào)道了利用靜電紡絲技術(shù)制備各種分離膜材料，其中就包括了各種不同形態(tài)，不同孔道結(jié)構(gòu)，不同化學(xué)成分和功能基團(tuán)的離子交換膜。相對(duì)于傳統(tǒng)的流延法制膜工藝，靜電紡絲技術(shù)為離子交換膜內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了絕佳的手段，為離子在膜材料的設(shè)計(jì)提供了更多的選擇性，也

2、為離子在膜內(nèi)部的傳輸現(xiàn)象提供更好的依據(jù)和解釋。因而，持續(xù)研究靜電紡絲技術(shù)在離子交換膜領(lǐng)域的應(yīng)用將是被大家關(guān)注的，具有重大意義的課題。
　　在上述研究背景下，結(jié)合自己對(duì)靜電紡絲技術(shù)和荷電膜材料的理解和探究，本文著力于開發(fā)一類基于靜電紡絲技術(shù)的新型離子交換膜，利用靜電紡絲技術(shù)微觀結(jié)構(gòu)的可控性，將新型結(jié)構(gòu)的膜材料引入到離子交換膜，并探索其在各個(gè)分離領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過靜電紡絲和熱壓結(jié)合成功制備了基于SPP

3、O（磺化聚苯醚）的陽離子交換膜H-ESPPO（熱壓-電紡SPPO陽離子交換膜），并深入探討了聚合物濃度、電壓、TCD（針尖和接收器間距）和熱壓條件等對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)將這種特殊結(jié)構(gòu)的陽離子交換膜應(yīng)用于堿回收（Na2WO4/NaOH體系），獲得相應(yīng)的OH-擴(kuò)散系數(shù)（UOH，0.0097 m/h）和分離因子(S，37.02)。相對(duì)于常規(guī)的Casting方法制備的SPPO膜的OH-擴(kuò)散系數(shù)(UOH，0.0060 m/h)和分離因子(S，21

4、.66)，H-ESPPO有大幅度的提高。而對(duì)比以前報(bào)道應(yīng)用于DD中的陽離子交換膜的OH-擴(kuò)散系數(shù)有(UOH，0.0014-0.0022 m/h)，H-ESPPO表現(xiàn)出接近于四倍UOH的優(yōu)越的DD性能。
　　(2)基于靜電紡絲技術(shù)制備了新型雜化陰離子交換膜H-EQPPO-SiO2。通過調(diào)節(jié)電紡工藝參數(shù)制備出無珠、直徑較低且分布均勻的納米纖，并且通過結(jié)合溶劑蒸汽處理及熱壓技術(shù)進(jìn)一步調(diào)控離子交換膜內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)。并將陰離子交換膜H-EQP

5、PO-SiO2成功應(yīng)用于酸回收擴(kuò)散滲析之中。在室溫條件下，氫離子的擴(kuò)散系數(shù)(UH)和分離因子(S)分別達(dá)到70.28×10-3 m/h和68.05，遠(yuǎn)高于流延法制備的同等材質(zhì)的雜化陰離子交換膜以及現(xiàn)存的商業(yè)膜DF120。
　　(3)開發(fā)出基于靜電紡絲技術(shù)的雙極膜的制備方法。并以PPO系列膜為例，分布用SPPO、QPPO和PEG分別為陽離子、陰離子交換層和中間層制備出一系列三明治結(jié)構(gòu)的新型雙極膜，每一層的厚度都可以通過調(diào)節(jié)電紡絲參數(shù)

6、有效精確控制。最終優(yōu)化后的膜材料在100 mA/cm2電流密度下，相對(duì)于傳統(tǒng)方法8.75 V的解離電壓，展現(xiàn)出非常低的值(2.5V)。此外，優(yōu)化后的EBPM膜在保持與傳統(tǒng)CBPM相同的酸堿產(chǎn)量的前提下，膜堆電壓僅為傳統(tǒng)CBPM的1/4。
　　(4)利用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合溶劑處理和熱壓技術(shù)成功制備了基于SPPO的一系列內(nèi)部包含陽離子荷電聚合物(QPPO)的新型鑲嵌膜。利用多針頭靜電紡絲技術(shù)，輕易調(diào)節(jié)其針頭的配比進(jìn)而調(diào)控其內(nèi)部QPPO和

7、SPPO的配比。利用FTIR，SEM和TEM技術(shù)進(jìn)一步證明了其內(nèi)部復(fù)合的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)。利用荷電膜內(nèi)部包含的陰離子荷電聚合物為質(zhì)子傳輸提供通道，而嵌入的陽離子荷電聚合物則在低一價(jià)離子阻礙作用的前提下，利用靜電排斥作用對(duì)多價(jià)金屬離子起到有效的阻擋作用，進(jìn)而達(dá)到對(duì)單價(jià)離子選擇性透過的目的。同時(shí)對(duì)比商業(yè)化一二價(jià)離子選擇膜CSO，電紡質(zhì)子選擇膜不僅保證了質(zhì)子的表觀通量，同時(shí)其低的Zn2+泄露率、高的選擇因子(SZn H+2+)，以及良好的機(jī)械性