[发明专利]酸阻断阴离子膜

说明书

发明领域

本发明涉及电渗析阴离子选择性膜和生产这样的膜的方法。

发明背景

双极性电渗析(BPED)为膜分离过程，其中高纯度酸和碱溶液可通过电渗析水分裂过程(water splitting proces)由盐溶液产生。通常，设计实施这样的ED功能的设备由位于一对电极之间的含有多个阳离子-选择性膜、双极性膜和阴离子选择性膜的堆叠组成。堆叠本身可包含单元隔室(unit cells)的组件，其中每个单元隔室包括以上膜，所述膜以在相邻的膜之间提供多个流动路径或通道的方式排列。

当将直流电流施用于双极性膜时，水分裂成为OH^-离子和H⁺离子，它们分别迁移至阳极和阴极。阳离子选择性膜容易使阳离子(带正电荷的离子，例如Na⁺、H⁺)通过，同时阻断阴离子通过。相反，阴离子选择性膜容易允许阴离子(带负电荷的离子，例如Cl^-、OH^-)通过，同时阻滞阳离子迁移。如果引导盐溶液(例如NaCl)通过在阳离子选择性和阴离子选择性膜之间的通道，该盐溶液的浓度被在相邻的含有酸和碱的通道中形成的HCl和NaOH耗尽。

与一些现有技术ED装置结合，横过阴离子选择膜的H⁺迁移已证明有问题。通过阴离子选择性膜的该质子渗漏为众所周知的，并且称为格罗图斯机理(Grotthuss mechanism)，通过该机理质子扩散通过水分子的氢键网络。证明H⁺基本通过或迁移的阴离子选择性膜对于电渗析过程是有害的，导致差的阴离子转移电流效率，酸和碱的低浓度以及高设备和能量成本。

发明概述

在一个示例性实施方案中，提供了一种用于制备具有织造或非织造布增强结构的类型的酸阻断阴离子选择性聚合膜的方法。膜的聚合物通过以下过程制备，所述过程包括使(I) 烯属不饱和脂族或芳族叔胺或季胺单体、(II) 交联单体和(III) 乙烯基苄基氯的组分在自由基聚合引发剂存在下共聚。在一个示例性实施方案中，组分(I):(II):(III)的摩尔比为约20-60:30-70:1-19。在另一个示例性实施方案中，组分I:II:III的摩尔比为约35-45:45-55:10-15。前述百分比加起来等于100摩尔%。

在本发明的另一方面，共聚在不存在非可聚合的溶剂下进行。

在另一个示例性实施方案中，膜的特征为水含量百分比为约12-20重量%，并且电流效率大于约93%。

在本发明的另一方面，提供了一种用于电渗析设备类型的阴离子交换膜。所述膜包括织造或非织造布，所述布浸渍在包含组分I、II和III的反应产物的共聚物中，其中I为烯属不饱和脂族或芳族叔胺或季胺单体，II为交联单体，和III为乙烯基苄基氯。

发明详述

在本发明的一方面，酸阻断阴离子选择性膜通过将(I) 烯属不饱和脂族或芳族叔胺或季胺单体和(II) 交联单体在(III) 乙烯基苄基氯(VBC)存在下共聚而制备。还存在自由基聚合引发剂(IV)。优选不使用溶剂。本文使用的“酸阻断”意指具有增强的阻滞H⁺迁移通过的能力的阴离子选择性膜。通常，通过降低膜的水含量和/或提高聚合物的交联，实现这一点。

将组分I、II、III和引发剂IV混合，以形成均质溶液。所得到的溶液用于浸渍一块布，例如聚丙烯、聚酯、丙烯酸或变性聚丙烯腈类型布。将这样浸渍的布放置在玻璃板之间，并且随后加热该玻璃夹层结构，以引发聚合。在聚合反应完成后，将玻璃片材除去，留下聚合物浸渍的布。

通过浸泡在含水酸性浴(例如2N HCl溶液)中，随后使聚合物浸渍的布溶胀。聚合物浸渍的布或片材可随后在电渗析和其它应用中用作酸阻断阴离子选择性膜。

关于组分I，示例性脂族叔胺可包括式A。

式A－脂族叔胺

其中R1为H或CH₃，X为O或NH，R2为低级(C₁-C₆)亚烷基，R3和R4独立地选自低级(C₁-C₆)烷基。

示例性组分I脂族季胺单体可包括式B。

式B－脂族季胺

其中R1、R2、R3和R4如式A所定义；R5选自低级(C₁-C₆)烷基；和A为选自卤代、亚硝酸根。硫酸根和其它无机或有机阴离子的阴离子。