靜電紡絲技術制備離子交換膜.pdf

1、在眾多制備納米級纖維結構材料的技術中，靜電紡絲術是目前為止最簡單有效的方法之一。利用其自身多孔的特征，通過簡單的溶劑氣氛處理和熱壓技術，可以將多孔性電紡纖維氈轉變?yōu)楠毺氐闹旅苣そY構。大量的文獻報道了利用靜電紡絲技術制備各種分離膜材料，其中就包括了各種不同形態(tài)，不同孔道結構，不同化學成分和功能基團的離子交換膜。相對于傳統(tǒng)的流延法制膜工藝，靜電紡絲技術為離子交換膜內(nèi)部微觀結構的調控提供了絕佳的手段，為離子在膜材料的設計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)研究靜電紡絲技術在離子交換膜領域的應用將是被大家關注的，具有重大意義的課題。
　　在上述研究背景下，結合自己對靜電紡絲技術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的新型離子交換膜，利用靜電紡絲技術微觀結構的可控性，將新型結構的膜材料引入到離子交換膜，并探索其在各個分離領域的應用潛能，主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過靜電紡絲和熱壓結合成功制備了基于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）和熱壓條件等對膜結構的影響。同時將這種特殊結構的陽離子交換膜應用于堿回收（Na2WO4/NaOH體系），獲得相應的OH-擴散系數(shù)（UOH，0.0097 m/h）和分離因子(S，37.02)。相對于常規(guī)的Casting方法制備的SPPO膜的OH-擴散系數(shù)(UOH，0.0060 m/h)和分離因子(S，21

4、.66)，H-ESPPO有大幅度的提高。而對比以前報道應用于DD中的陽離子交換膜的OH-擴散系數(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)基于靜電紡絲技術制備了新型雜化陰離子交換膜H-EQPPO-SiO2。通過調節(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，并且通過結合溶劑蒸汽處理及熱壓技術進一步調控離子交換膜內(nèi)部形態(tài)結構。并將陰離子交換膜H-EQP

5、PO-SiO2成功應用于酸回收擴散滲析之中。在室溫條件下，氫離子的擴散系數(shù)(UH)和分離因子(S)分別達到70.28×10-3 m/h和68.05，遠高于流延法制備的同等材質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構的新型雙極膜，每一層的厚度都可以通過調節(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)利用靜電紡絲技術結合溶劑處理和熱壓技術成功制備了基于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，輕易調節(jié)其針頭的配比進而調控其內(nèi)部QPPO和

7、SPPO的配比。利用FTIR，SEM和TEM技術進一步證明了其內(nèi)部復合的化學和物理結構。利用荷電膜內(nèi)部包含的陰離子荷電聚合物為質子傳輸提供通道，而嵌入的陽離子荷電聚合物則在低一價離子阻礙作用的前提下，利用靜電排斥作用對多價金屬離子起到有效的阻擋作用，進而達到對單價離子選擇性透過的目的。同時對比商業(yè)化一二價離子選擇膜CSO，電紡質子選擇膜不僅保證了質子的表觀通量，同時其低的Zn2+泄露率、高的選擇因子(SZn H+2+)，以及良好的機械性