[发明专利]一种以氢氧化铝作为中间界面层催化剂的双极膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双极膜，具体涉及一种以氢氧化铝作为中间界面层催化剂的双极膜及其制备方法。

背景技术

作为膜研究领域的一个重要分支，双极膜(bipolar membrane，简称BPM)是一种由阴离子交换膜层(AEL)、阳离子交换膜层(CEL)以及中间界面层(IL)复合而成的新型离子交换膜。近年来，随着工艺技术的发展趋于成熟，双极膜的性能得到了极大的优化。同时，凭借着过程能耗低和原料污染小等优异特点，双极膜技术也在酸碱生产、污染治理、资源回收、食品工程以及新能源开发等诸多领域得到了广泛的应用。

当给双极膜施加反向电压时，中间界面层的水分子发生解离，生成H⁺和OH^-，然后在电场力的作用下，H⁺通过阳离子交换膜层进入阴极室，OH^-通过阴离子交换膜层进入阳极室。与常规水解离过程相比，双极膜中间界面层在直流电场作用下的水解离速率要远远大于一般情况下的水解离速率，两侧溶液中的水须通过阴阳两膜层及时补充到中间界面层以弥补水的分解耗散。除此之外，中间界面层的厚度、亲水性、空间效应、静电效应等都会影响到水解离过程的顺利实现。由此可见，在双极膜的制备工艺中，仅仅保证阴离子交换膜层和阳离子交换膜层具有很高的选择透过性是远远不够的，中间界面层的选用和引入更是需要重点关注。

位于阴、阳膜层相粘结处的中间界面层是双极膜中的一个过渡区域，该层具有催化水解离、降低反应所需活化能、增加水解离速率、节省水解离工作能耗以及减小膜阻抗的作用，其显著特点是可移动的离子浓度比较小，存在着没有被补偿的固定电荷，因而通常也被称作离子耗尽层。通过巧妙地设计中间界面层，改变其界面结构和化学组成，引入固定化的催化剂，能使双极膜的性能得到极大的提高。为了达到上述目的，国内外的众多科研人员曾试验过一系列物质作为中间层催化剂，主要分为有机中间层催化剂和无机中间层催化剂两种。其中，有机中间层催化剂的结构丰富且可设计，因而得到了一定的青睐，但同时存在污染环境的缺点。在无机催化剂中，相比于单纯的金属离子，两性金属氢氧化物能与膜层牢固结合，减缓金属离子的流失，诸如Zn(OH)₂和Cr(OH)₃等已经取得到了良好的效果。但到目前为止，没有研究人员涉足价格便宜且拥有较大离子交换容量的Al(OH)₃催化剂，这是因为Al(OH)₃分子的极性较大，再加上分子间氢键的影响，故而极易发生团聚现象，同时氢氧化铝亲水疏油的特征比较明显，导致其与弱极性的有机高分子材料的界面相容性较差，不仅造成双极膜的成型困难，而且其作为中间层催化剂时会产生部分溶解流失，从而使得双极膜的水解离效率大大降低。

本申请通过喷涂的方法将Al(OH)₃纳米颗粒引入到双极膜的中间界面层后，发现其不仅使得双极膜无法相互渗透，而且能使尽量多的水储存在中间层，因而在降低跨膜电压降方面表现更加优异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种以氢氧化铝作为中间界面层催化剂的双极膜及其制备方法，该双极膜水解离效率高、膜层相容性好、跨膜电压降低、使用性能稳定。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种以氢氧化铝作为中间界面层催化剂的双极膜，包括阴离子交换膜层、中间界面层和阳离子交换膜层，所述中间界面层位于阴离子交换膜层和阳离子交换膜层之间，所述中间界面层由粒径为10-30nm的纳米氢氧化铝粉末制备得到。

按上述方案，所述阳离子交换膜层为磺化聚醚醚酮(SPEEK)；所述阴离子交换膜层为季胺化聚苯醚(QPPO)。

本发明还提供上述以氢氧化铝作为中间界面层催化剂的双极膜的制备方法，其包括以下步骤：

1)制备中间层膜液：将纳米氢氧化铝粉末与无水乙醇混合，并在60℃下经超声分散得到氢氧化铝分散液，即中间层膜液；

2)制备双极膜：将步骤1)所得中间层膜液喷涂在阳离子交换层或阴离子交换层上后经干燥形成薄膜，即中间界面层，然后将阴、阳离子交换膜层在DMF蒸汽中暴露15min后，通过热压稠密化得到双极膜。

按上述方案，步骤1)所述无水乙醇纯度为99.5％以上，无水乙醇与Al(OH)₃的摩尔比为70-40:1。

按上述方案，步骤2)所述喷涂工艺条件为：在0.40-0.45MPa压力下喷涂1-4次。