[发明专利]一种超高电流密度条件下运行的离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高电流密度条件下运行的离子交换膜及其制备方法，属于功能高分子膜材料领域。

背景技术

氯碱工业中按照运行的电流密度划分，离子膜电解槽可划分为高电流密度电解槽和一般电流密度电解槽。二者的临界点通常设定为4.0KA/m²。传统的离子膜电解槽运行的电流密度为3.3KA/m²左右，而高电流密度离子膜电解槽运行的电流密度一般为4.0-6.0KA/m²，甚至更高。

相对而言，高电流密度电解槽运行具有以下优势：1）可以强化生产能力，如4.2KA/m²条件下运行的电解槽要比3.3KA/m²条件下运行的电解槽提高烧碱产量约27.3%；2）可降低离子膜烧碱项目的一次性投资；3）节省项目的占地面积，便于项目建成后的管理；4）操作弹性大，有利于降低运行成本。然而，想要在高电流密度条件下运行除了优化电解槽材质和结构、优化操作工艺和技术指标、优化盐水品质外，还需配用相应的高电流密度条件下运行的离子交换膜。该膜不同于一般电流密度条件下运行的离子膜，是因为高电流密度电解槽运行的电密提高，必须提高单位时间进入电槽盐水的流量，这就要求离子交换膜具有更强的离子交换能力，即在单位时间内让更多的Na离子由阳极室穿过离子交换膜进入阴极室。

专利ZL200720010486.2公开了一种氯碱行业使用的高电流密度扩张阳极电解槽，是从电解槽结构的改进上实现电解在高电流密度下安全稳定运行；据氯碱行业资料报导，国外的新一代高电流密度的离子交换膜采用更薄的膜层厚度和更细的增强纤维从而降低阻挡面积、提高通量，效果比较明显，但膜的强度下降很多，寿命缩短；专利US2005/0279644A1公开了一种离子膜电解工艺，可以使离子膜适应不同电流密度条件下的稳定运行，但也只是通过离子膜与阳极间距的调整来实现，电流密度只提高到7KA/m²。通常来说，为了提高离子交换膜的离子通量，最简洁的方法是采用高交换容量的磺酸或羧酸树脂制备高交换容量的离子膜，但在实际的制备和应用过程中会出现羧酸的交换容量太高而导致的阴极侧对氢氧根的阻隔性能下降，导致氯气中的氢气过量；而单独提高磺酸的交换容量又存在与羧酸树脂不匹配而容易分层的缺陷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种超高电流密度条件下运行的离子交换膜及其制备方法，该离子交换膜在高于4.0KA/m²的电流密度条件下，甚至超过8KA/m²的超高电流密度下,能够表现出超常的槽电压、电流效率、面电阻和氯气纯度优势，同时保证了膜强度。

术语解释：

超高电流密度，属于在氯碱行业特定环境下的一种常规说法，传统的离子膜电解槽运行的电流密度为3.3KA/m²左右，高电流密度离子膜电解槽运行的电流密度一般为4.0-6.0KA/m²，本发明所谓的超高电流密度指的是电解槽运行的电流密度高于6.0KA/m²。但本发明所述的超高电流密度条件下运行不仅限于电流密度高于6.0KA/m²，亦适于在高电流密度条件下运行4.0-6.0KA/m²。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：

一种超高电流密度条件下运行的离子交换膜，所述离子交换膜是由全氟磺酸离子交换树脂和牺牲短纤维熔融共混后挤出流延制成单膜，再经功能化转型处理和超临界流体处理，单膜的两侧面还喷涂有亲水氧化锆涂层；所述牺牲短纤维选自聚酯纤维、纤维素纤维或聚酰胺纤维，所述牺牲短纤维在离子交换膜功能化转型的过程中被转型碱液溶除，使膜体内具有交错相连的细微通道；该离子交换膜膜体内部具有结晶相、无定形相和离子簇相三相分离的连续化交联一体结构。

根据本发明优选的，全氟磺酸离子交换树脂的离子交换容量为0.8-1.4mmol/g。

根据本发明优选的，所述牺牲短纤维的直径为1-15μm，长度为5-50mm。牺牲短纤维直径和长度超出优选范围，会使得纤维溶除留在膜体内的孔道太大或太小，影响膜的整体强度。牺牲短纤维的用量与全氟磺酸离子交换树脂的质量比为5-20：100。

根据本发明优选的，所述全氟磺酸离子交换树脂和牺牲短纤维熔融共混后挤出流延制成的单膜厚度为40-200微米，进一步优选的厚度为60-120微米。适合的厚度可以在尽可能低的膜阻条件下保证膜的高强度。