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PEI交联的PECH/nylon复合阴离子交换膜的制备及性能
《化工学报》 姜玉良 / 时间:2018-08-17 10:46:03

  据化工学报微信公众平台2018年8月7日讯 PEI交联的PECH/nylon复合阴离子交换膜的制备及性能研究——聚环氧氯丙烷(PECH)是一种线性高分子聚合物,具有较好的稳定性和成膜性能,且以PECH为基体制备阴离子交换膜,可避免致癌物质如氯甲醚、双氯甲醚的使用,但存在机械强度差与吸水性较大等缺点。本研究采用聚乙烯亚胺(PEI)作为交联剂,通过其与PECH发生交联反应,在其内部形成网状结构限制PECH膜在水中的过度溶胀,从而增强膜的机械强度,同时引入尼龙网布(nylon)作为支撑材料进一步提高膜的力学性能,制备了QCPECH/nylon复合阴离子交换膜。研究结果表明,制备的P1膜在电渗析应用过程中的脱盐效率(94.8%)比商业膜(Neosepta AMX)的脱盐效率(92.4%)更高,由此可见,用PEI交联的PECH/nylon复合阴离子交换膜在电渗析脱盐中具有潜在的发展前景。文章作者姜玉良、刘元伟、韩波、阮慧敏、沈江南、高从堦,发表在《化工学报》2018, 69(6):2744-2752。
  近年来,电渗析技术在各行各业的应用与日俱增,电渗析技术是基于离子在电场作用下进行的选择性迁移从而对物质进行提纯与分离的方法。电渗析技术不仅可以用于生产安全饮用水和将有害化学物质与水进行分离,同时还在食品、化工和制药等行业中发挥着突出的作用,电渗析技术相对于其他分离技术的优势主要体现在低能量成本、较低的预处理要求、更易操作、更低维护成本与更长的膜寿命等方面。
  作为电渗析技术中的最核心的部分,阴离子交换膜的质量直接决定了电渗析技术的效率,许多不同种类的聚合物已被用于制造阴离子交换膜,如聚苯乙烯、聚砜、聚醚酰亚胺、聚(亚芳基醚)、聚(芳醚酮)(PPEK)和聚芳醚砜酮(PPESK)。这些聚合物通过氯甲基化反应制备的阴离子交换膜已在燃料电池、生物医学设备、蒸发和固相多肽合成等领域有广泛的应用。然而在传统阴离子交换膜制备方案中,氯甲基化反应过程不可避免地会采用氯甲醚、双氯甲醚等强致癌物质,这些物质会对身体和环境造成伤害。因而如何避免氯甲基化步骤来制备阴离子交换膜已成为目前研究的目标。
  本文采用侧链上具有-CH2Cl基团的聚环氧氯丙烷(PECH)高分子聚合物为基体,采用三甲胺为季胺化试剂,避免致癌物质氯甲醚、双氯甲醚的使用,提供了一个相对简单、无污染、性能高的阴离子交换膜制备方法。聚环氧氯丙烷(PECH)是一种线性高分子聚合物,具有较好的稳定性及成膜性能,但是以PECH为基体制备的阴膜机械强度较差,易吸水,限制了其在电渗析技术中的实际应用。交联是利用交联剂通过化学反应,将线性聚合物形成交联网状结构的一种方法。交联技术可限制聚合物膜在水中的过度溶胀,降低离子膜的含水率(WU),从而增强膜的机械强度,因此常被用于膜性能的改善。聚乙烯亚胺(PEI)作为交联剂其上含有多个-NH2可以和PECH侧链上的-CH2Cl发生共价键合,实现对基体PECH的交联,降低膜的水溶胀。
  尼龙网布(nylon)作为支撑材料可增强膜的力学性能,是一种常用的力学性能增强技术。本文以PECH为膜基体,采用聚乙烯亚胺作为交联剂,尼龙网布为支撑材料,制备了QCPECH/nylon复合阴膜,研究了交联对复合阴膜的吸水率、溶胀度、IEC、机械强度、面电阻、迁移数以及脱盐等性能的影响。
  采用交联剂PEI对PECH进行交联后,再以尼龙网布为支撑材料,成功制备了QCPECH复合阴膜,FTIR和XPS表明了PEI与PECH成功发生交联反应,扫描电镜图显示复合阴膜具有均匀光滑紧密的表面形貌。复合阴膜的TS值是36.5~38.5 MPa,Eb值为9.3~15.3%,说明该复合阴膜具有较好的机械稳定性。TGA分析表明该离子交换膜满足电渗析脱盐操作的要求。膜电阻测试结果表明该QCPECH复合阴膜的膜面电阻为2.9~6.5 Ω·cm2,拥有良好的导电性。在电渗析测试中,P1离子交换膜(94.8%)比商业膜AMX(92.4%)表现出更好的脱盐效果,在今后的电渗析应用中具有潜在的发展前景。