CN113398768A - 一种单网双极膜片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种单网双极膜片的制备方法，首先，将阳离子交换膜和阴离子交换膜裁切为规格一致的膜片；其次，将阳离子交换膜和阴离子交换膜无隔网的一面上下叠合；再次，以温度T1预热叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜；最后，将叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜送入辊压机进行压辊，并收集经压辊的双极膜片。该制备方法仅用到辊压工艺，制备过程简单，无需使用有毒化学试剂进行复杂的反应，生产成本低，对环境友好无污染，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，完全无法通过人力撕开，浸水后两膜中间没有气泡。在水中经过长期电解析运行后，膜片性能保持稳定，中间无气泡或水垢产生，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及双极膜技术领域，特别是涉及一种单网双极膜片的制备方法。
背景技术
双极膜是由阳离子交换膜与阴离子交换膜组成的复合膜。双极膜在直流的电场作用下，可以使其两膜之间的水电解成H+和OH-，两种离子可以自由通过阴、阳离子交换膜，为水路系统提供H+和OH-。目前双极膜的制备方法主要有以下几种：热压成型法、黏合成型法、流延成型法、基膜两侧分别引入功能基团和电沉积法。①热压成型法：将干燥的阴、阳离子交换膜层叠放在用PTFE薄膜覆盖的不锈钢板中，排除内部气泡，加热加压制得双极膜。然而，由于热压过程中阴、阳两膜层的相互渗透和固定基团的静电作用，双极膜中间界面层形成高电阻区域，使得工作电压升高。②黏合成型法：用黏合剂分别涂覆阴、阳离子交换膜的内侧，然后叠合，排除内部的气泡和液泡，经干燥后制得双极膜。黏合法制备的双极膜常因为两膜层之间的黏合力不足导致使用过程中双极膜的阳离子交换膜和阴离子交换膜从黏合处分开，严重影响使用。③流延成型法：在阳离子交换膜层上覆盖一层分散有阴离子交换树脂的聚合物溶液，或者在阴离子交换膜层上覆盖一层分散有阳离子交换树脂的聚合物溶液，将聚合物溶液干燥成型后，即制得双极膜。该方法是目前制备双极膜最常用的方法，但是，流延中温度、湿度等外界环境的影响因素以及干燥浴、干燥时间等工艺参数的设定都会影响双极膜的结构和性能。④在基膜两侧分别引入功能基团：用化学方法在基膜的两侧分别引入阴、阳离子交换基团，从而制得单片型双极膜。该技术存在基膜两侧阴、阳离子交换膜层的厚度不易控制，阴、阳离子交换膜层表面不平行的缺点，工艺复杂。⑤电沉积成型法：将离子交换膜组装在电解槽中，在直流电场的作用下，电解液里悬浮的带有相反电性的离子交换树脂的粒子沉积在膜的表面，从而制备双极膜。该方法制备工艺复杂，需要使用额外的化学试剂。
上述五种现有制备双极膜的方法，主要不足之处体现在物理方法制备的双极膜的阴、阳离子交换膜的附着力差，两膜层间容易开裂脱落，影响双极膜的使用性能，还体现在化学方法制备双极膜的过程需要用到有毒的化学原料或辅助试剂，对环境造成污染，工艺复杂，成本高。特别是在水处理领域，如果有毒物质在双极膜残留，不但起不到对水净化处理的效果，还引入污染源，对人体健康造成损害。因此，针对现有技术不足，本发明提供一种单网双极膜片的制备方法，以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种单网双极膜片的制备方法，该方法工艺简单，生产成本低，对环境友好无污染的特点，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，膜层间无气泡，性能长期稳定。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现。
提供一种单网双极膜片的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：将阳离子交换膜和阴离子交换膜裁切为规格一致的膜片；步骤S2：将阳离子交换膜和阴离子交换膜相对叠合；步骤S3：以温度T1预热叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜；步骤S4：将叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜送入辊压机进行压辊，收集经辊压的复合膜片，即可制得单网双极膜片。
为进一步实现本发明目的，步骤S1中，所述阳离子交换膜一面有隔网，另一面无隔网；所述阴离子交换膜一面有隔网，另一面无隔网。
为进一步实现本发明目的，上述阳离子交换膜连隔网的整体厚度为h1；上述阴离子交换膜连隔网的整体厚度为h2，且0＜h1≤1mm，0＜h2≤1mm。本专利中整体厚度包含了隔网的厚度。
为进一步实现本发明目的，步骤S2中，上述阳离子交换膜无隔网面与阴离子交换膜无隔网面相对叠合。
为进一步实现本发明目的，步骤S3中，上述温度T1为80～130℃。
为进一步实现本发明目的，步骤S4中，上述辊压机设置有一对加热辊轮和一对常温辊轮，上述双极膜片先经过加热辊轮辊压，再经过常温辊轮辊压。
为进一步实现本发明目的，上述加热辊轮的辊轮间隙宽度为h3，且h1<h3<h1+h2、h2<h3<h1+h2，上述常温辊轮的辊轮间隙与加热辊轮一致。
为进一步实现本发明目的，上述加热辊轮工作时，设置辊轮表面温度T2为80～130℃。
为进一步实现本发明目的，上述加热辊轮的转速设置为0.3～0.5m/min，上述常温辊轮的转速与加热辊轮一致。
本发明提供的一种单网双极膜片的制备方法，首先，将阳离子交换膜和阴离子交换膜裁切为规格一致的膜片；其次，将阳离子交换膜和阴离子交换膜无隔网面上下叠合；再次，以温度T1预热叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜；最后，将叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜送入辊压机进行压辊，并收集经压辊的双极膜片。该制备方法仅用到辊压工艺，制备过程简单，无需使用有毒化学试剂进行复杂的反应，生产成本低，对环境友好无污染，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，完全无法通过人力撕开，浸水后两膜中间没有气泡。在水中经过长期电解析运行后，膜片性能保持稳定，中间无气泡或水垢产生，使用寿命长。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明一种单网双极膜片的制备方法实施例1中阳离子交换膜和阴离子交换膜的结构示意图；
图2是本发明一种单网双极膜片的制备方法实施例1中阳离子交换膜和阴离子交换膜的叠放示意图；
图3是本发明一种单网双极膜片的制备方法实施例1中辊轮的结构示意图；
图4是本发明一种单网双极膜片的制备方法实施例1中辊压过程示意图；
在图1至图4中，包括：
双极膜100、
阳离子交换膜110、阳离子交换膜有隔网面111、阳离子交换膜无隔网面112、
阴离子交换膜120、阴离子交换膜有隔网面121、阴离子交换膜无隔网面122、加热辊轮200、
第一辊轮210、第二辊轮220。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1。
一种单网双极膜片的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将阳离子交换膜110和阴离子交换膜120裁切为规格一致的膜片；
步骤S2：将阳离子交换膜110和阴离子交换膜120无隔网的一面上下叠合；
步骤S3：以温度T1预热叠合的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120；
步骤S4：将叠合的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120送入辊压机进行压辊，收集经辊压的复合膜片，即可制得单网双极膜片。
本实施例使用的阳离子交换膜110或阴离子交换膜120可以是均相膜，也可以是异相膜。如异相膜是用粒度为200～400目的离子交换树脂和寻常成膜性高分子材料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、氟橡胶等)充分混合后加工成膜。本实施例步骤S1中，使用的阳离子交换膜110为单面有隔网的阳离子交换膜，整体厚度为h1。本实施例使用的阴离子交换膜120为单面有隔网的阴离子交换膜整体厚度为h2，且0＜h1≤1mm，0＜h2≤1mm。需要说明的是本专利中阴、阳离子交换膜的整体厚度包含了隔网的厚度。实验证明，当阳离子交换膜110或阴离子交换膜120的厚度控制在1mm以内，两层膜的辊压效果显著。
辊压前，将阳离子交换膜110和阴离子交换膜120预先裁切为生产所需的各种规格，直接制成双极膜，避免了双极膜片大面积制备后的裁切浪费。如此制备出来的双极膜片可以直接进行膜堆组装使用，方便了后续应用。
辊压前，将阳离子交换膜无隔网面112与阴离子交换膜无隔网面122相对叠合。当双极膜制成时，双极膜的外侧均有一层隔网覆盖保护，如此也是为了方便后续膜堆组装等应用。
辊压前，将叠合的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120以温度T1预热。由前述步骤可知，本实施例所用的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120是离子交换树脂和寻常成膜性高分子材料充分混合后加工形成的膜片。成膜性高分子材料可以是热变形温度为80℃的高密度聚乙烯(HDPE)，热变形温度为85℃的聚苯乙烯(PS)，热变形温度为100℃的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或者热变形温度为102℃的均聚聚丙烯(H-PP)等，本实施例设置预热温度T1为80～130℃，利用膜片成膜性高分子材料的热塑性，使阳离子交换膜110和阴离子交换膜120在辊压前充分软化，从而提高阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的熔接效果。
辊压过程中，叠合的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120先经过一对加热辊轮200辊压，将该加热辊轮200表面温度T2设置为与预热温度T1一致的80～130℃。保持第一道辊压工序的温度，可以让叠放的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120膜片保持热熔状态，使阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的在辊压的过程中熔接牢固。
该加热辊轮200的第一辊轮210和第二辊轮220以相同的转速0.3～0.5m/min相对运动。如图4所示，随着第一辊轮210和第二辊轮220与阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的接触面积增大，辊轮对阳离子交换膜110和阴离子交换膜120产生的正压力F和F’，在接触面形成摩擦力f2牵引着阳离子交换膜110和阴离子交换膜120通过辊轮间隙。由于阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的成膜高分子材料具有热塑性，当阳离子交换膜110和阴离子交换膜120通过辊轮间隙时，在温度和压力的作用下，阳离子交换膜110和阴离子交换膜120在接触面熔接，形成复合膜。加热辊压后的复合膜经常温辊压，出来的复合膜光滑平整。常温辊压参数除了辊轮表面温度不同，其它参数均与加热辊压相同。
需要说明的是，加热辊轮200的辊轮间隙宽度h3必须小于阳离子交换膜110和阴离子交换膜120叠放的厚度之和，且h1<h3<h1+h2，h2<h3<h1+h2。h3过小，膜片受阻过大，导致膜片无法通过辊轮间隙，h3过大，则辊轮表面无法与膜片接触，产生受力点。只有当h1<h3<h1+h2、h2<h3<h1+h2时，辊轮表面才能与阳离子交换膜110和阴离子交换膜120接触，产生力的作用，带动膜片通过辊轮间隙。
在一对辊轮中，可以设置为一个主动轮和一个从动轮。如此设置的好处是，可以保证一对辊轮的转速一致，使膜片在辊压过程中受力均匀，避免产生褶皱和剥离的不合格产品。
本发明提供的一种单网双极膜片的制备方法仅用到辊压工艺，制备过程简单，无需使用有毒化学试剂进行复杂的反应，生产成本低，对环境友好无污染，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，完全无法通过人力撕开，浸水后两膜中间没有气泡。在水中经过长期电解析运行后，膜片性能保持稳定，中间无气泡或水垢产生，使用寿命长。
实施例2。
一种单网双极膜片的制备方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：步骤S1中，采用的阳离子交换膜110是高密度聚乙烯膜，连隔网整体厚度为1mm。阴离子交换膜120是高密度聚乙烯膜，连隔网整体厚度为1mm。步骤S3中，预热温度T1为80℃。步骤S4中，加热辊轮200间隙为1.9mm，加热辊轮200表面温度T2为80℃，加热辊轮200转速为0.5m/min。常温辊压参数除了辊轮表面温度不同，其它参数均与加热辊压相同。
本实施例的单网双极膜片的制备方法仅用到辊压工艺，制备过程简单，无需使用有毒化学试剂进行复杂的反应，生产成本低，对环境友好无污染，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，完全无法通过人力撕开，浸水后两膜中间没有气泡。在水中经过长期电解析运行后，膜片性能保持稳定，中间无气泡或水垢产生，使用寿命长。
实施例3。
一种单网双极膜片的制备方法，其它特征与实施例2相同，不同之处在于：步骤S3中，预热温度T1为90℃。步骤S4中，加热辊轮200表面温度T2为90℃。本实施例的预热温度T1和加热辊轮200表面温度T2比实施例2高，此时，阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的软化度更高，在其它参数不变的情况下，本实施例的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的熔接牢固度比实施例2更高。
本实施例的单网双极膜片的制备方法仅用到辊压工艺，制备过程简单，无需使用有毒化学试剂进行复杂的反应，生产成本低，对环境友好无污染，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，完全无法通过人力撕开，浸水后两膜中间没有气泡。在水中经过长期电解析运行后，膜片性能保持稳定，中间无气泡或水垢产生，使用寿命长。
实施例4。
一种单网双极膜片的制备方法，其它特征与实施例2相同，不同之处在于：步骤S4中，加热辊轮200间隙为1.6mm。本实施例的加热辊轮200间隙宽度比实施例2窄，在其它参数不变的情况下，辊轮对阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的正压力F和F’更大，从而使本实施例的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的熔接牢固度比实施例2更高。
本实施例的单网双极膜片的制备方法仅用到辊压工艺，制备过程简单，无需使用有毒化学试剂进行复杂的反应，生产成本低，对环境友好无污染，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，完全无法通过人力撕开，浸水后两膜中间没有气泡。在水中经过长期电解析运行后，膜片性能保持稳定，中间无气泡或水垢产生，使用寿命长。
实施例5。
一种单网双极膜片的制备方法，其它特征与实施例2相同，不同之处在于：步骤S4中，加热辊轮200的转速为0.3m/min。本实施例的加热辊轮200的转速比实施例2慢，在其它参数不变的情况下，单位面积的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的总加热辊压时间比实施例2要长，从而使本实施例的阳离子交换膜110和阴离子交换膜120的熔接牢固度比实施例2更高。
本实施例的单网双极膜片的制备方法仅用到辊压工艺，制备过程简单，无需使用有毒化学试剂进行复杂的反应，生产成本低，对环境友好无污染，制备出来的双极膜片附着严实，熔接牢固，完全无法通过人力撕开，浸水后两膜中间没有气泡。在水中经过长期电解析运行后，膜片性能保持稳定，中间无气泡或水垢产生，使用寿命长。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种单网双极膜片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将阳离子交换膜和阴离子交换膜裁切为规格一致的膜片；
步骤S2：将阳离子交换膜和阴离子交换膜相对叠合；
步骤S3：以温度T1预热叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜；
步骤S4：将叠合的阳离子交换膜和阴离子交换膜送入辊压机进行压辊，收集经辊压的复合膜片，即可制得所述的单网双极膜片。
2.根据权利要求1所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述阳离子交换膜一面有隔网，另一面无隔网；所述阴离子交换膜一面有隔网，另一面无隔网。
3.根据权利要求2所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：所述阳离子交换膜连隔网的整体厚度为h1；所述阴离子交换膜连隔网的整体厚度为h2，且0＜h1≤1mm，0＜h2≤1mm。
4.根据权利要求1所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述阳离子交换膜无隔网面与阴离子交换膜无隔网面相对叠合。
5.根据权利要求1所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述温度T1为80～130℃。
6.根据权利要求1所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述辊压机设置有一对加热辊轮和一对常温辊轮，所述双极膜片先经过加热辊轮辊压，再经过常温辊轮辊压。
7.根据权利要求6所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：所述加热辊轮的辊轮间隙宽度为h3，且h1<h3<h1+h2、h2<h3<h1+h2，所述常温辊轮的辊轮间隙与加热辊轮一致。
8.根据权利要求7所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：所述加热辊轮工作时，设置辊轮表面温度T2为80～130℃。
9.根据权利要求8所述的单网双极膜片的制备方法，其特征在于：所述加热辊轮的转速设置为0.3～0.5m/min，所述常温辊轮的转速与加热辊轮一致。
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- 2020-03-16 CN CN202010183529.7A patent/CN113398768A/zh active Pending
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