[发明专利]用于微生物电化学系统的聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子交换膜及其制备并应用方法，特别是涉及一种用于微生物电化学系统的聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

微生物电化学系统是利用电化学活性细菌作为催化剂来催化电极表面电化学反应的体系，根据其电能是净输入还是输出系统，可将其划分为微生物燃料电池和微生物电解池两大类。微生物电化学系统的阳极可处理有机物废水，如市政废水、食品加工和酿酒废水、造纸废水、养殖业废水等，降解废水中的有机物而产电，阴极可以实现对某些污染物的还原去除，如某些重金属废水，如含高价铬、铜等重金属离子进行还原沉淀，实现对这些有害重金属的高效去除。因此微生物电化学系统在水资源保护和环境污染治理方面具有十分重要的应用前景。

双室型微生物电化学系统是常见的微生物电化学系统构造，隔膜用于分隔阴极室和阳极室，阻隔两室中的活性物质相互渗透，同时传导离子形成电流回路。以常见的双室型微生物燃料电池为例，隔膜分隔阳极室和阴极室，防止阴极室的氧气向厌氧环境的阳极室扩散，同时防止阳极室的用于培养微生物的有机物向阴极室扩散，降低电池的电流效率。因此隔膜性能对微生物电化学系统的性能影响很大。阳离子交换膜、阴离子交换膜、超滤膜等均可用于微生物电化学系统，目前商品膜主要有全氟磺酸膜如Nafion膜，具有很好的稳定性和电化学性能，但其价格昂贵，氧气渗透速率高，有机底物容易渗透。以磺化苯乙烯/二乙烯苯共聚物为基材的CMI-7000膜，价格较便宜，但是其在耐微生物侵蚀方面存在较大的问题，容易被微生物污染，降低其使用寿命。目前尚无以微生物电化学系统为应用目的的商品膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微生物电化学系统的聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法，将荷正电的阴离子交换基团引入聚芳醚分子结构中，制备的聚芳醚阴离子交换膜具有优良抗微生物污染和抗侵蚀能力，稳定性高、优异的机械强度和离子传导性能，在微生物电化学系统中具有重要的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

聚芳醚阴离子交换膜，所述膜的聚合物分子链含有如下结构：

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聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：聚芳醚溶解于溶剂中，加入卤甲基烷基醚和催化剂，搅拌下进行反应；反应结束后，将反应物倒入沉淀剂中，分离、洗涤、干燥，得到卤甲基化聚芳醚；卤甲基化聚芳醚的结构简式如下：

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将卤甲基化聚芳醚溶解于溶剂中配制成溶液，铸膜，将溶剂完全蒸发或部分蒸发后浸入沉淀剂中，得到卤甲基化聚芳醚基膜，烘膜温度为10~150^oC，烘膜时间为0~48小时；将卤甲基化聚芳醚基膜浸泡于含氮有机小分子的溶液中进行胺化处理，得到聚芳醚阴离子交换膜；胺化处理温度为0~90^oC，时间为0~96小时；

聚芳醚阴离子交换膜或通过先胺化后制膜的方法实现：将卤甲基化聚芳醚溶解于溶剂中配制成溶液，加入含氮有机小分子进行胺化反应，反应温度为0~90^oC，反应时间为0~96小时；胺化反应后的溶液铸膜，将溶剂完全蒸发或部分蒸发后浸入沉淀剂中，得到聚芳醚阴离子交换膜，烘膜温度为10~150^oC，烘膜时间为0~48小时；

聚芳醚阴离子交换膜的结构简式如下：

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所述聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述聚芳醚的卤甲基化改性用卤甲基烷基醚为氯甲基甲醚、氯甲基乙醚、氯甲基丁醚、氯甲基辛醚、溴甲基甲醚、溴甲基乙醚、、溴甲基丁醚、溴甲基辛醚。

所述聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述聚芳醚的卤甲基化改性所用的催化剂为无水氯化锌、无水氯化铁、无水氯化铝、无水溴化锌、无水溴化铁、无水溴化铝、金属锌粉、金属铁粉、金属铝粉、无水四氯化锡、浓硫酸、磷酸、氯铝酸离子液体或三氟甲基磺酸。

所述的聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述聚芳醚的卤甲基化改性所用溶剂为氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烷、硝基苯、氯苯或浓硫酸；所用沉淀剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、四氢呋喃、丙酮、丁酮、乙酸乙酯中的一种或两种以上的混合溶剂；聚芳醚的卤甲基化改性的反应温度为-10^oC-120^oC，反应时间为1-72小时。