CN112191103B - 一种利用双极膜电渗析系统精制聚醚多元醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用改性阳离子交换膜构建双极膜电渗析系统精制聚醚多元醇的方法，其具体过程为首先采用浸渍法对阳离子交换膜进行表面改性，提高其亲水性及耐碱性，然后利用改性阳离子交换膜构建双极膜电渗析系统，将碱催化合成的粗聚醚多元醇与水混合后导入系统中，粗产品中碱(土)金属离子透过改性阳离子交换膜并与双极膜水解生成的氢氧根离子在碱室内形成碱液回收利用，双极膜水解生成的氢离子进入料液室内降低产品碱値，无需消耗中和酸。本发明改性阳离子交换膜亲水性好、耐碱性能强，适用于处理聚醚多元醇体系，降低了聚醚多元醇精制过程成本，具有良好的应用前景。

Description

一种利用双极膜电渗析系统精制聚醚多元醇的方法
技术领域
本发明涉及一种利用改性阳离子交换膜构建双极膜电渗析系统精制聚醚多元醇的方法，属于聚醚多元醇领域。
背景技术
聚醚多元醇是生产聚氨酯材料的重要原料，并广泛应用于消泡剂、破乳剂、添加剂、清洁剂等诸多领域。聚醚多元醇通常以碱(土)金属氢氧化物为催化剂，由带有活性氢原子的化合物作为起始剂与环氧烷烃进行开环聚合反应生成。聚合生成的粗聚醚多元醇中含有碱(土)金属催化剂，碱(土)金属离子会对下游产品的性能产生不良影响，因此需要对其进行精制处理来除去碱(土)金属离子。
目前，工业上主要的聚醚多元醇精制工艺是先加酸中和，然后使用吸附剂进行吸附，最后进行脱水结晶、过滤处理。这种精制工艺流程复杂，生产周期长，在酸性环境下高温脱水时聚醚多元醇易发生副反应给产品带来明显气味，并且吸附过滤时会产生夹带产品的吸附剂废渣，增加处理成本，造成产品流失。
专利CN110072914公开一种用离子交换树脂处理纯化聚醚多元醇的方法，该发明通过粗聚醚多元醇中的碱性离子和树脂上的阳离子交换位点之间发生离子交换来纯化聚醚多元醇。虽然该方法不需要酸中和且无固废产生，但是所使用的离子交换树脂需要周期性地使用酸溶液处理再生，产生大量废水，使处理工艺不能连续运行，影响生产效率，难以工业化应用。
阳离子交换膜具有使阳离子选择透过的性能，能够和双极膜搭配构建双极膜电渗析系统，可以巧妙的去除溶液中碱(土)金属离子，合理利用生成的酸和碱，过程中无化学试剂消耗，是一种绿色环保的分离技术。但是传统阳离子交换膜在粘度稍大的有机溶剂体系下，膜表面容易形成粘附层，导致浓差极化发生，影响分离处理效果。粗聚醚多元醇本身粘度偏大，在使用阳离子交换膜去除碱(土)金属离子时，需要解决物料粘附的问题。此外，粗聚醚多元醇碱性较强，对阳离子交换膜的耐碱性能要求更高。截至目前，关于利用双极膜电渗析系统用于精制聚醚多元醇的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种双极膜电渗析系统精制聚醚多元醇的方法，该方法使用改性阳离子交换膜。首先使用浸渍法对传统阳离子交换膜进行表面改性，通过sol-gel反应在膜表面形成Ti-O-C和Ti-O-Ti交联网络，提高阳离子交换膜的亲水性和耐碱性。然后利用制备的改性阳离子交换膜构建双极膜电渗析系统，对聚醚多元醇中碱(土)金属离子进行去除。在直流电场作用下，聚醚多元醇中碱(土)金属离子定向穿过改性阳离子交换膜，进入系统碱室内与双极膜产生的氢氧根离子结合形成碱液回收利用，实现对聚醚多元醇中碱(土)金属离子的去除。同时，双极膜产生的氢离子进入料液室内降低聚醚多元醇的碱值和pH,该方法精制聚醚多元醇过程中无需消耗中和酸且没有无机盐废渣产生，实现了聚醚多元醇的清洁后处理。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)采用浸渍法对阳离子交换膜进行表面改性：
第一步，预处理：先用去离子水洗去阳离子交换膜表面杂质，再用无水乙醇浸泡后待用；
第二步，配制浸渍液：按照体积份配比，将10-100份钛酸酯类前驱体和10-200份醇溶剂在快速搅拌下混合均匀，然后缓慢连续滴入(30-60min加完)含50-200份醇溶剂、1-5份水和1-10份抑制剂的混合液，搅拌均匀后待用；
第三步，浸渍涂层：将第一步的阳离子交换膜浸于第二步浸渍液中，2-24h后取出，80-120℃热处理10-24h，水洗后待用。
(2)利用改性阳离子交换膜构建双极膜电渗析系统，这是本领域的常规操作。所述双极膜电渗析系统由双极膜电渗析膜堆组成，双极膜电渗析膜堆包括两侧的极液室和夹在极液室中间的电渗析隔室。所述的极液室分为阳极室和阴极室，阳极室内设置有阳极板，阴极室内设置有阴极板。所述的电渗析隔室为两隔室结构，由双极膜和改性阳离子交换膜间隔排列构成的碱室和料液室组成。
(3)向双极膜电渗析系统的料液室中通入粗聚醚多元醇与水的混合溶液，向碱室中通入去离子水或碱液，向极液室内通入强电解质溶液。在双极膜电渗析装置的极板上施加直流电，经过双极膜电渗析过程，料液室内的粗聚醚多元醇中的碱(土)金属离子透过改性阳离子交换膜进入碱室，实现对聚醚多元醇中碱(土)金属离子的脱除。进入碱室的碱(土)金属离子与双极膜产生的氢氧根离子结合实现对碱液的回收利用。双极膜产生的氢离子进入料液室内实现聚醚多元醇中碱値和pH的降低。
其中，步骤(1)中所述阳离子交换膜为PVA阳离子交换膜。
步骤(1)中所述钛酸酯类前驱体为钛酸丁酯、钛酸异丙酯中的至少一种，优选为钛酸丁酯；
所述醇溶剂为无水乙醇、异丙醇、正丁醇中的至少一种，优选为无水乙醇；
所述的抑制剂为浓盐酸、乙酸、浓硫酸中的至少一种。
步骤(2)所述阳极板和阴极板为钛电极、铂电极、镍电极、不锈钢电极或钛涂钌电极。
步骤(2)所述两隔室结构由双极膜-改性阳离子交换膜-双极膜排列构成的碱室和料液室组成，一个碱室和料液室为一个电渗析单元，相邻的两个单元共用一个双极膜，两隔室电渗析单元数为1-1000，优选为5-500，更优选20-50。
步骤(2)所述的双极膜为单膜法或双膜法制备的常规双极膜。
步骤(3)所述的粗聚醚多元醇与水的混合溶液中，水的质量为混合液总质量的1-50％。
步骤(3)所述粗聚醚多元醇为使用碱(土)金属催化剂进行环氧烷烃开环的聚合产物，数均分子量为100-50000，优选500-8000。所述的碱(土)金属催化剂包括金属钠、金属钾、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、氢氧化钡、氢氧化锶、氢氧化锂、甲醇钠、甲醇钾、氢化钠或氢化钾中的一种或多种。粗聚醚多元醇中碱(土)金属离子含量为2000-10000mg/kg。
步骤(3)所述碱室中通入的碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、氢氧化钡、氢氧化锶或氢氧化锂溶液，浓度为0.01-1mol/L。
步骤(3)所述强电解质溶液为硫酸钠和/或硝酸钠溶液，浓度为0.01-1.0mol/L。
步骤(3)所述双极膜电渗析系统运行时，电流密度为50-800A/m2，电压20-200V，运行温度5-40℃。
步骤(3)所述粗聚醚多元醇的粘度过大时，可添加溶于聚醚多元醇的有机溶剂降低粘度。有机溶剂包括丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、十二烷、环己烷、环戊烷、苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、三氯乙烷、四氯化碳、二氯二氟甲烷等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明制备的改性阳离子交换膜具有较好的亲水性和耐碱性，适用于粘度较大的聚醚多元醇体系，及该体系下构建的两隔室均为碱性的电渗析系统。
2.本发明对聚醚多元醇精制过程中无需消耗中和酸，工艺绿色简单，生产周期短。
3.本发明在去除聚醚多元醇中碱(土)金属离子的同时将其形成碱液回收利用，不产生无机盐废渣，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明阳离子交换膜表面改性结构示意图
图2为本发明阳离子交换膜表面改性结构表征图
图3为本发明利用改性阳离子交换膜构建双极膜电渗析系统精制聚醚多元醇的原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例中使用的双极膜是北京延润膜技术开发股份有限公司TRJBM双极膜。
实施例1
(1)采用浸渍法对阳离子交换膜进行表面改性。
第一步，预处理：取600*1200mm PVA阳离子交换膜，用去离子水洗去膜表面杂质，再用无水乙醇浸泡2h后待用。
第二步，配制浸渍液：将50ml钛酸丁酯和50ml无水乙醇用磁力搅拌器搅拌1h，然后缓慢连续滴入(45min加完)由50ml无水乙醇、5ml水和2.5ml浓盐酸配成的混合液，继续搅拌1h后待用。
第三步，浸渍涂层：将第一步的阳离子交换膜浸于第二步浸渍液中，4h后取出，90℃热处理12h，水洗后待用。
(2)搭建如图3所示的双极膜电渗析装置，两侧的阳电极和阴电极采用耐腐蚀的钛涂钌，中间的两隔室电渗析单元由双极膜-改性阳离子交换膜-双极膜排列构成。极液室和相邻的隔室以双极膜为间隔，其中与阴极室相邻的隔室为碱室，与阳极室相邻的隔室为料液室，同一个单元的碱室与料液室以改性阳离子交换膜为间隔。双极膜在安装时阳离子交换层朝向阴极室，阴离子交换层朝向阳极室。双极膜电渗析系统的两隔室单元数为5。
(3)聚醚多元醇a，官能度为3，以甘油为起始剂，在氢氧化钾催化下与环氧丙烷开环聚合，数均分子量600，粗聚醚中钾离子含量6000mg/kg。
将800g聚醚多元醇a与50g水混合后泵入双极膜电渗析装置料液室中，碱室中通入500ml去离子水，极液室内通入500ml浓度为0.2mol/L的硫酸钠溶液。装置运行时，各隔室里溶液分别形成循环流动，膜面流速为8cm/s，膜堆电压设置为30V，电流密度上限设置为50A/m2，温度维持40℃，至料液室内钾离子含量小于5mg/kg，关停装置，料液室内聚醚多元醇脱水后得到精制聚醚多元醇a，碱室内氢氧化钾溶液浓缩后可做碱催化剂循环使用。
实施例2
(1)采用浸渍法对阳离子交换膜进行表面改性。
第一步，预处理：取600*1200mm PVA阳离子交换膜，用去离子水洗去膜表面杂质，再用无水乙醇浸泡2h后待用。
第二步，配制浸渍液：将15ml钛酸丁酯和10ml无水乙醇用磁力搅拌器搅拌1h，然后缓慢连续滴入(35min加完)由50ml无水乙醇、1.5ml水和10ml乙酸配成的混合液，继续搅拌1h后待用。
第三步，浸渍涂层：将第一步的阳离子交换膜浸于第二步浸渍液中，2h后取出，90℃热处理24h，水洗后待用。
(2)搭建如图3所示的双极膜电渗析装置，与实施例1的不同之处在于双极膜电渗析装置两隔室单元数为20。
(3)聚醚多元醇b，官能度为2，以乙二醇为起始剂，在氢氧化钠催化下与环氧乙烷开环聚合，数均分子量600，粗聚醚中钠离子含量8000mg/kg。
将1000g聚醚多元醇b与100g水混合后泵入双极膜电渗析装置料液室中，碱室中通入1000ml的0.1mol/L氢氧化钠溶液，极液室内通入1000ml浓度为0.1mol/L的硫酸钠溶液。装置运行时，各隔室里溶液分别形成循环流动，膜面流速为5cm/s，膜堆电压设置为150V，电流密度上限设置为50A/m2，温度维持30℃，至料液室内钠离子含量小于5mg/Kg，关停装置，料液室内聚醚多元醇脱水后得到精制聚醚多元醇b，碱室内氢氧化钠溶液浓缩后可做碱催化剂循环使用。
实施例3
(1)采用浸渍法对阳离子交换膜进行表面改性。
第一步，预处理：取600*1200mm PVA阳离子交换膜，用去离子水洗去膜表面杂质，再用无水乙醇浸泡2h后待用。
第二步，配制浸渍液：将15ml钛酸异丙酯和15ml无水乙醇用磁力搅拌器搅拌1h，然后缓慢连续滴入(60min加完)由60ml无水乙醇、3ml水和10ml乙酸配成的混合液，继续搅拌1h后待用。
第三步，浸渍涂层：将第一步的阳离子交换膜浸于第二步浸渍液中，3h后取出，100℃热处理16h，水洗后待用。
(2)搭建如图3所示的双极膜电渗析装置，与实施例1的不同之处在于两隔室单元数为50。
(3)聚醚多元醇c，官能度为2，以丙二醇为起始剂，在甲醇钠催化下与环氧丙烷及环氧乙烷混合物开环聚合，数均分子量3000，粗聚醚中钠离子含量4000mg/kg。
将2000g聚醚多元醇c与50g水混合后泵入双极膜电渗析装置料液室中，碱室中通入1500ml的0.2mol/L氢氧化钠溶液，极液室内通入2000ml浓度为0.3mol/L的硝酸钠溶液。装置运行时，各隔室里溶液分别形成循环流动，膜面流速为5cm/s，膜堆电压设置为200V，电流密度上限设置为120A/m2，温度维持40℃，至料液室内钠离子含量小于5mg/kg，关停装置，料液室内聚醚多元醇脱水后得到精制聚醚多元醇c，碱室内氢氧化钠溶液浓缩后可做碱催化剂循环使用。
实施例4
(1)采用浸渍法对阳离子交换膜进行表面改性。
第一步，预处理：取600*1200mm PVA阳离子交换膜，用去离子水洗去膜表面杂质，再用无水乙醇浸泡2h后待用。
第二步，配制浸渍液：将50ml钛酸异丙酯和75ml无水乙醇用磁力搅拌器搅拌1h，然后缓慢连续滴入(50min加完)由50ml无水乙醇、5ml水和10ml浓盐酸配成的混合液，继续搅拌1h后待用。
第三步，浸渍涂层：将第一步的阳离子交换膜浸于第二步浸渍液中，3h后取出，120℃热处理10h，水洗后待用。
(2)搭建如图3所示的双极膜电渗析装置，与实施例1的不同之处在于两隔室单元数为30。
(3)聚醚多元醇d，官能度为3，以甘油为起始剂，在金属钾催化下先与环氧丙烷开环聚合，然后与环氧乙烷聚合封端，数均分子量7500，粗聚醚中钾离子含量6500mg/kg。
将1500g聚醚多元醇d、500g正己烷与80g水混合后泵入双极膜电渗析装置料液室中，碱室中通入1200ml的0.1mol/L氢氧化钾溶液，极液室内通入2000ml浓度为0.2mol/L的硝酸钠溶液。装置运行时，各隔室里溶液分别形成循环流动，膜面流速为8cm/s，膜堆电压设置为120V，电流密度上限设置为80A/m2，温度维持40℃，至料液室内钾离子含量小于5mg/kg，关停装置，料液室内聚醚多元醇脱除正己烷和水后得到精制聚醚多元醇d，碱室内氢氧化钾溶液浓缩后可做碱催化剂循环使用。
对比例
与实施例1的区别在于：使用不经过改性的PVA阳离子交换膜搭建双极膜电渗析装置，处理过程中，出现聚醚粘附现象，碱室电流效率较低，单位处理能耗大。结果如下表：
碱室电流效率/％ 单位处理能耗/(kwh/t KOH)
实施例1 75 2800
对比例1 61 3512
分别对上述实施例制备的改性阳离子交换膜的亲水性和耐碱性进行表征及测试，测试条件为50℃，1mol/L NaOH溶液中浸泡48h。结果如下表：
组别 接触角° 溶胀度％ 重量损失率％
未改性 20.23 28.3 9.9
实施例1 14.90 21.3 5.3
实施例2 18.32 18.6 4.6
实施例3 11.32 24.9 6.7
实施例4 11.73 16.5 3.6

Claims (12)

1.一种精制粗聚醚多元醇的方法，其特征在于，采用双极膜电渗析系统，其中双极膜电渗析系统的阳离子交换膜为经过钛酸酯类前驱体改性的阳离子交换膜；阳离子交换膜的改性方法包括：
第一步，预处理：先用去离子水洗去阳离子交换膜表面杂质，再用无水乙醇浸泡后待用；
第二步，配制浸渍液：按照体积份配比，将10-100份钛酸酯类前驱体和10-200份醇溶剂混合均匀，然后缓慢与含有50-200份醇溶剂、1-5份水和1-10份抑制剂的混合液混合，搅拌均匀后待用；
第三步，浸渍涂层：将第一步的阳离子交换膜浸渍于第二步浸渍液中，热处理，水洗后待用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳离子交换膜为PVA阳离子交换膜；
所述钛酸酯类前驱体为钛酸丁酯、钛酸异丙酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述醇溶剂为无水乙醇、异丙醇、正丁醇中的至少一种；
所述的抑制剂为浓盐酸、乙酸、浓硫酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步中，浸渍时间为2-24h，热处理条件为80-120℃热处理10-24h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述双极膜电渗析系统由双极膜电渗析膜堆组成，双极膜电渗析膜堆包括两侧的极液室和夹在极液室中间的电渗析隔室；
所述的极液室分为阳极室和阴极室，阳极室内设置有阳极板，阴极室内设置有阴极板；
所述的电渗析隔室为两隔室结构，由双极膜和改性阳离子交换膜间隔排列构成的碱室和料液室组成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阳极板和阴极板为钛电极、铂电极、镍电极、不锈钢电极或钛涂钌电极；
两隔室电渗析单元数为1-1000。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，两隔室电渗析单元数为5-500。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，两隔室电渗析单元数为20-50。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，料液室中通入粗聚醚多元醇与水的混合溶液，碱室中通入去离子水或碱液，极液室内通入强电解质溶液，在极板上施加直流电。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的粗聚醚多元醇与水的混合溶液中，水的质量为混合液总质量的1-50％；
碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、氢氧化钡、氢氧化锶或氢氧化锂溶液，浓度为0.01-1mol/L；
强电解质溶液为硫酸钠和/或硝酸钠溶液，浓度为0.01-1.0mol/L；
电流密度为50-800A/m2，电压20-200V；运行温度5-40℃。
11.根据权利要求1-4、6-10任一项所述的方法，其特征在于，所述粗聚醚多元醇数均分子量为100-50000，粗聚醚多元醇中碱(土)金属离子含量为2000-10000mg/kg。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述粗聚醚多元醇数均分子量为500-8000。
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Title
有机磷酸化TiO2改性阳离子交换膜的制备与性能;周璇等;《环境工程学报》;20190630;第13卷(第06期);第1282-1291页 前言部分，图1以及第3节 *

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