CN108097069A - 一种原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的方法 - Google Patents

一种原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的制备方法，所述的方法包括：(1)将待改性的普通阳离子交换膜(白色，50cm2)浸泡于0.2mol/L盐酸溶液中一段时间后，用去离子水洗去表面多余的酸。(2)将氢型的阳离子交换膜浸泡于2‑5wt％的吡咯乙醇溶液(200ml)中1分钟，取出膜，水平放置2分钟以上，待表面乙醇蒸发完全后，将膜浸入一定浓度的氧化剂溶液(如氯化铁、过硫酸铵、过氧化氢，200ml)中一段时间后，此时该膜呈黑色，证明膜上已负载聚吡咯。(3)重复步骤(2)多次，得到附有多层的聚吡咯选择性阳离子交换膜。本发明中，吡咯聚合方法简单有效，改性后的膜表面物质沉积均匀且单价离子选择性显著提高。

Description

一种原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的方法
技术领域
本发明属于离子交换膜领域，特别涉及的是一种原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的方法。
背景技术
随着科技的发展，膜分离技术得到人们越来越多的关注。作为膜分离技术领域的重要组成，离子交换膜技术具有选择性强、分离效率高、能耗低等优势使电渗析技术、电驱动膜技术在工业节能减排、清洁生产及绿色和环境化工中发挥着越来越重要的作用。但是离子交换膜技术在实际应用中仍然存在着一定的缺陷，例如同极性单价态离子与多价态离子的分离问题、离子传输能力低，电流效率低等问题。特别是电渗析过程中，由离子迁移引起的水解离膜表面二价金属离子结垢，会导致电渗析器电流效率降低、能耗增加，严重的甚至引起烧膜现象。阳离子交换膜作为离子交换膜中重要的一个部分，近年对其提高对阳离子的选择透过性方面主要是通过在阳离子交换膜表面交联改性形成一层聚阳离子物质，从而提高阳离子交换膜的单价选择性。但这种以静电沉积方式形成的改性层容易脱落或改性层表面不均匀，进而造成离子选择透过性及改性层的稳定性不高。而且目前单价选择性离子交换膜的制备普遍存在制备工艺繁琐，环境不友好和使用寿命短的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备方式简单，使用寿命长，选择分离性能显著的原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的方法。
本发明采用以下技术方案：
一种原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将待改性的普通阳离子交换膜(白色，50cm2)浸泡于0.1-0.5mol/L(优选0.2mol/L)盐酸溶液(200ml)中直至普通阳离子交换膜完全氢型化，用去离子水洗去表面多余的酸，得到氢型的阳离子交换膜(取浸泡液测定无Na+即已完全转为氢型)；
(2)将步骤(1)氢型的阳离子交换膜浸泡于2-5wt％的吡咯乙醇溶液(200ml)中0.5-5(优选1分钟)分钟，取出该阳离子交换膜，水平放置至表面乙醇蒸发完全后，将该阳离子交换膜浸入0.2-1.0mol/L的氧化剂溶液(200ml)中一段时间后(1-4h，优选3h)，待阳离子交换膜呈黑色，证明阳离子交换膜上已负载聚吡咯；所述氧化剂为氯化铁、过硫酸铵、过氧化氢中的一种或多种；
(3)在已负载聚吡咯的阳离子交换膜上重复步骤(2)多次，得到附有多层的聚吡咯选择性阳离子交换膜。
所述步骤(1)中，阳离子交换膜要完全氢型化。
所述步骤(1)中，普通阳离子交换膜浸泡于盐酸溶液中的时间为1-3h。
所述步骤(1)中，盐酸溶液用量以膜面积计为2-6ml/cm2。
所述步骤(2)中，吡咯乙醇溶液用量以膜面积计为2-6ml/cm2。
所述步骤(2)中，氧化剂溶液用量以膜面积计为2-6ml/cm2。
所述步骤(3)中，所述聚吡咯改性层的层数为1-5层，即重复步骤(2)的次数为0-4次。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用原位法制备聚吡咯改性层，该方法步骤简单易操作，具有工业化扩大生产的价值。
(2)利用本方法制备的阳离子交换膜的聚阳离子改性层完整、无缺陷和无脱落的优势，提高了离子选择透过性及改性层的稳定性
(3)制备的单价选择性阳离子交换膜静电排斥作用，可以有效的对单多价离子进行分离。本发明实施例数据表明，在Na+/Mg2+体系中，利用本发明制备的单价选择性阳离子交换膜的表面改性层与不同价态阳离子之间静电排斥作用差异可以很好的实现一多价阳离子的选择性分离。
附图说明
图1为本发明自制的四隔室电渗析装置图。
图2为原位聚合改性阳离子膜电渗析结果。
图3为商业膜电渗析结果。
图4为不同吡咯浓度对Mg2+截留影响。
图5为不同聚合次数对Mg2+截留影响。
图6为不同氧化剂浓度对Mg2+截留影响。
具体实施方式
以下结合若干个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。
实施例1
(1)将待改性的普通阳离子交换膜(白色，50cm2)浸泡于0.2mol/L盐酸溶液中2小时后，用去离子水洗去表面多少的酸。(2)将氢型的阳离子交换膜浸泡于4wt％的吡咯乙醇溶液(200ml)中1分钟，取出膜，水平放置2分钟以上，待表面乙醇蒸发完全后，将膜浸入0.5mol/L三氯化铁溶液中3小时，此时该膜呈黑色，证明膜上已负载聚吡咯。(3)重复步骤(2)3次，得到聚合4次的选择性阳离子交换膜。用纯水和乙醇溶液反复多次清洗膜表面，确保无残留的氯化铁溶液和单体吡咯。
将膜置于自制的四隔室电渗析装置中，如图1所示，M-CEM代表实施例1制备的单价选择性阳离子交换膜，AEM代表阴离子交换膜，膜的有效面积是5cm×5cm。装置中，从左至右依次放置AEM、M-CEM、AEM膜，将槽体分隔为四隔室，淡室和浓室皆为200mL0.05mol/LNaCl和0.05mol/L MgCl2溶液。极液为0.2mol/L Na2SO4。电渗析时间控制为120min，电流密度为50mA/cm2，每隔20min移取淡室的料液，共7次。通过阳离子色谱测定其Na+和Mg2+浓度。实验装置如图1所示，实验结果如图2，2小时电渗析过程中，Na+选择渗透性为69％，Mg2+泄露为4％(图2)。同时选取未改性的商业阳离子交换膜测其单价阴选择性，结果如图3，Na+选择渗透性为56％，Mg2+泄露率为66％。。相比商业化阳离子交换膜，改性后聚吡咯单价选择性交换膜能截留Mg2+，选择性透过Na+，可高效的分离单多价离子。
实施例2
考察聚吡咯浓度对分离性能的影响。(1)将待改性的普通阳离子交换膜(白色，50cm2)浸泡于0.2mol/L盐酸溶液中2小时后，用去离子水洗去表面氢离子。
(2)将已酸化的阳离子交换膜分别浸泡于2、3、4、5wt％的吡咯乙醇溶液(200ml)中1分钟，取出膜，水平放置2分钟以上，待表面乙醇蒸发完全后，将膜浸入0.5mol/L三氯化铁溶液中3小时，此时该膜呈黑色，证明膜上已负载聚吡咯。(3)重复步骤(2)3次，得到聚合4次的选择性阳离子交换膜。用纯水和乙醇溶液反复多次清洗膜表面，确保无残留的氯化铁溶液和单体吡咯。
将膜置于自制的四隔室电渗析装置中。装置中，淡室和浓室皆为200mL0.05mol/LNaCl和0.05mol/L MgCl2溶液。极液为0.2mol/L Na2SO4。电渗析时间控制为120min，电流密度为50mA/cm2，每隔20min移取淡室的料液，共7次。通过阳离子色谱测定Mg2+浓度。实验装置如图1所示，实验结果如图4。随着吡咯浓度的增加，Mg2+截留增加。且4％和5％吡咯浓度下，得到Mg2+截留较为接近
实施例3
考察聚吡咯改性层数对分离性能的影响。(1)将待改性的普通阳离子交换膜(白色，50cm2)浸泡于0.2mol/L盐酸溶液中2小时后，用去离子水洗去表面氢离子。(2)将已酸化的阳离子交换膜浸泡于4wt％的吡咯乙醇溶液(200ml)中1分钟，取出膜，水平放置2分钟以上，待表面乙醇蒸发完全后，将膜浸入0.5mol/L三氯化铁溶液中3小时，此时该膜呈黑色，证明膜上已负载聚吡咯。(3)分别重复步骤(2)1-5次，得到聚合不同次数的选择性阳离子交换膜。用纯水和乙醇溶液反复多次清洗膜表面，确保无残留的氯化铁溶液和单体吡咯。
将膜置于自制的四隔室电渗析装置中。装置中，淡室和浓室皆为200mL0.05mol/LNaCl和0.05mol/L MgCl2溶液。极液为0.2mol/L Na2SO4。电渗析时间控制为120min，电流密度为50mA/cm2，每隔20min移取淡室的料液，共7次。通过阳离子色谱测定Mg2+浓度。实验装置如图1所示，实验结果如图5。随着聚合次数的增加，Mg2+截留增加，其中聚合4次和聚合5次条件下，Mg2+截留比较接近。
实施例4
考察不同氧化剂浓度对改性层性能的影响。(1)将待改性的普通阳离子交换膜(白色，50cm2)浸泡于0.2mol/L盐酸溶液中2小时后，用去离子水洗去表面氢离子。(2)将已酸化的阳离子交换膜分别浸泡于4wt％的吡咯乙醇溶液(200ml)中1分钟，取出膜，水平放置2分钟以上，待表面乙醇蒸发完全后，分别将膜浸入0.2、0.5、1.0mol/L三氯化铁溶液中3小时，此时该膜呈黑色，证明膜上已负载聚吡咯。(3)重复步骤(2)3次，得到聚合4次的选择性阳离子交换膜。用纯水和乙醇溶液反复多次清洗膜表面，确保无残留的氯化铁溶液和单体吡咯。
将膜置于自制的四隔室电渗析装置中。装置中，淡室和浓室皆为200mL0.05mol/LNaCl和0.05mol/L MgCl2溶液。极液为0.2mol/L Na2SO4。电渗析时间控制为120min，电流密度为50mA/cm2，每隔20min移取淡室的料液，共7次。通过阳离子色谱测定Mg2+浓度。实验装置如图1所示，实验结果如图6。不同浓度的氧化剂对Mg2+的截留具有较大影响，其中0.5mol/L的氧化剂对Mg2+截留最好。
实施例5
改变实施例1中的氧化剂，选择过硫酸铵作为吡咯聚合氧化剂的，其他步骤不变，获得聚吡咯单价选择性阳离子交换膜。采用实施例1性能检测方法，其结果与实例1一致，误差不超过±2.5％。
实施例6
改变实施例1中的氧化剂，选择过氧化氢作为吡咯聚合氧化剂的，其他步骤不变，获得聚吡咯单价选择性阳离子交换膜。采用实施例1性能检测方法，其结果与实例1一致，误差不超过±2.5％。
实施例7
改变实施例1中浸泡于吡咯乙醇溶液浸泡时间分别为0.5分钟，2分钟，5分钟。其他步骤不变，获得聚吡咯单价选择性阳离子交换膜。采用实施例1性能检测方法，其结果与实例1一致，误差不超过±2.5％。
实施例8
改变实施例1氧化剂浸泡时间，分别为1小时，2小时，4小时，其他步骤不变，获得聚吡咯单价选择性阳离子交换膜。采用实施例1性能检测方法，其结果与实例1一致，误差不超过±2.5％。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种原位制备聚吡咯单价选择性阳离子交换膜的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)将待改性的普通阳离子交换膜浸泡于0.1-0.5mol/L盐酸溶液中直至普通阳离子交换膜完全氢型化，用去离子水洗去多余的酸，得到氢型的阳离子交换膜；
(2)将步骤(1)氢型的阳离子交换膜浸泡于2-5wt％的吡咯乙醇溶液中0.5-5分钟，取出该阳离子交换膜，水平放置至表面乙醇蒸发完全后，将该阳离子交换膜浸入0.2-1.0mol/L的氧化剂溶液中1-4h后，待阳离子交换膜呈黑色，证明阳离子交换膜上已负载聚吡咯；所述氧化剂为氯化铁、过硫酸铵、过氧化氢中的一种或多种；
(3)在已负载聚吡咯的阳离子交换膜上重复步骤(2)多次，得到附有多层的聚吡咯选择性阳离子交换膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所述盐酸溶液用量以膜面积计为2-6ml/cm2。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所述普通阳离子交换膜浸泡于盐酸溶液中的时间为1-3h。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述吡咯乙醇溶液用量以膜面积计为2-6ml/cm2。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述氧化剂溶液用量以膜面积计为2-6ml/cm2。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述重复步骤(2)的次数为0-4次。
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Application publication date: 20180601

Assignee: Deqing County Lefeng Plastic Products Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980040523

Denomination of invention: A Method for Preparing Monovalent Selective Cation Exchange Membranes of Polypyrrole in Situ

Granted publication date: 20210511

License type: Common License

Record date: 20230828