CN1706541A - 附加可控双电层复合离子交换膜 - Google Patents
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Abstract
一种内含多孔导电薄膜层的复合离子交换膜。当导电膜带有与固定基团同种电荷时，产生一个附加的双电层，改变了水核离子簇分布的离散性。消除了水核离子簇之间的中性通道，提高了离子选择性；反离子在膜孔内的传导也由跳跃变为平稳传递、调整导电膜偏置电位，可改变离子传输的动力特征甚至对离子的运动产生泵吸效应，提高了离子透过性。解决了离子交换膜的离子选择性和透过性不可兼得的问题，可应用在电化学和膜分离技术领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合离子交换膜技术。
背景技术
当今电化学和膜分离技术领域中，广泛使用离子交换膜。对于离子交换膜，除应具有机械强度高、化学和物理稳定而价廉的特点外，离子选择性和透过性要好是其最为重要的特征。离子透过性好也就是其导电性能好——膜电阻低；离子选择性好也就是其电流效率高。
离子交换容量(IEC)大的膜，亲水性好，含水率较大。虽其导电性能好，但相应的选择性和机械强度有所降低，反之亦然。离子交换膜良好的离子选择性和透过性，两者不可兼得。
中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心在对多硫化钠-溴新型燃料电池的研究中，分别使用了聚苯乙烯磺酸膜、杜邦公司的Nafion-115膜和Nafion-1135膜。经对电池的循环性能试验结果分析发现：该燃料电池性能衰减的原因主要在于阴离子渗透通过所使用的阳离子交换膜。
现有的离子交换膜复合技术，仅能平衡离子交换膜的选择性和透过性：利用具有不同选择性的活性基团或不同的活性基团浓度的膜材料进行复合，而将高选择性的活性基团膜或活性基团高浓度的膜层作为阻挡层。研究的方向，均是力图在厚度和浓度方面进行搭配和选择最佳配比。美国杜邦公司的Nafion膜、日本旭硝子公司的Flemion膜和日本旭化成公司的Aciplex膜的相关系列产品，均是这种典型的结构。
例如：对于阳离子交换膜，羧酸膜的选择性好而透过性差，磺酸膜则相反；而对同种膜，活性基团高浓度膜的选择性好而透过性差，活性基团低浓度的则相反。Aciplex-F系列的阳离子交换膜是用共聚方法分别得到羧酸/磺酸(由PTFE织物增强的)复合膜、Nafion900和Flemion800系列的阳离子交换膜也是磺酸/羧酸复合膜；而Nafion300系列的阳离子交换膜是由高低浓度的磺酸聚合物层压成的复合膜、Flemion700系列的阳子交换膜则是由高低交换容量的羧酸聚合物复合而成；新型的Flemion膜更是在磺酸/羧酸复合膜的羧酸聚合物层中增设了浓度调节。虽然这种复合技术经优化配比后能提高离子交换膜的性能，但始终未能从本质上解决上述离子选择性和透过性不可兼得的问题。况且，在这种复合技术中，不但配比的最优结果难以获得，现有的工艺方法很难与其相适应，而想要确定相应的工艺方法，也是非常困难的。更重要的是最终效果未必理想。如：
研究发现电流效率随羧酸膜膜层厚度的增加而提高，但当厚度达10μm以上时，电流效率不再上升，相反膜电阻却持续增加。旭化成公司在研制Aciplex膜(羧酸/磺酸复合膜)的过程中，曾在磺酸膜表面进行化学试剂处理，用化学改性的工艺方法，形成厚度不到10μm羧酸离子层，但其稳定性差。不得已只能改用共聚方法，羧酸离子层的厚度竟高达35~90μm。杜邦公司用层压法制成的Nafion901全氟羧酸/磺酸复合膜的羧酸离子层的厚度也高达70μm左右。
发明内容
本发明的任务在于从本质上解决离子交换膜的离子选择性和透过性不可兼得这一问题，从而获得一种具有低的膜电阻、高的电流效率和机械强度，且化学和物理稳定而价廉的复合离子交换膜。
具体实施方式
解决本发明任务的方法是：直接由高强度的多孔导电薄膜作为基膜；或在高强度的多孔绝缘薄膜上覆盖多孔导电薄膜后作为基膜，其外层再与具有活性基团且化学和物理稳定的离子交换膜复合。复合所用的离子交换膜包括昂贵的全氟离子交换膜、廉价的部分氟化与非氟化离子交换膜。即使是使用全氟离子交换膜，其用量也可大幅度地减少。以复合全氟磺酸离子交换膜为例说明附加可控双电层复合离子交换膜的工作原理。
当导电薄膜被置于某一电位，使其带有与离子交换膜的固定基团同种电荷时，建立了一个附加且可控的电场，并在电解液与隔膜之间产生了一个相应的双电层。该电位的调节幅度应限制在外层膜的绝缘不被击穿的范围内。
双电层的存在改变了固定基团和吸收的水所形成的水核离子簇分布的离散性，使反离子紧密层趋于连续：水核离子簇之间不存在中性通道，极大地提高了离子交换膜的离子选择性，从而获得高的电流效率；反离子在膜孔内的传导方式也由从一个固定基团到另一个固定基团的跳跃变为平稳传递，调整导电膜偏置电位，可改变离子传输的动力特征甚至对离子的运动产生泵吸效应，提高了离子交换膜的离子透过性，降低了膜电阻。从根本上解决离子交换膜的离子选择性和透过性不可兼得的问题。
本发明的附加可控双电层复合离子交换膜，可广泛应用在电化学和膜分离技术领域中。重要的应用例如：
1、在双电解液再生燃料电池中使用本发明的复合阳离子交换膜时，由于该复合阳离子交换膜的选择性好，双电解液中的阴离子不易混合；而且，膜电阻小，更具有充放电效率高的优点。
2、离子膜制碱装置中使用本发明的复合阳离子交换膜时，由于该阳离子交换膜的膜电阻小和电流效率高均能降低能耗；而且，膜电阻小，有利于改善电极的工作条件；电流效率高必然提高烧碱的纯度和浓度。
3、本发明的复合阳离子交换膜应用电渗析装置中，将有助于降低能耗、提高分离物的纯度和浓度。
以上应用只要简单地通过电位调节器、开关元件或直接将复合阳离子交换膜的导电薄膜接到负极上和阴离子交换膜的导电薄膜接到正极上即可。
Claims (3)
1、一种具有活性基团的增强型复合离子交换膜，其特征在于，内层含有多孔导电薄膜层，外层是具有活性基团且化学和物理稳定的离子交换膜；导电薄膜可被置于某一电位，使其带有与离子交换膜的固定基团同种电荷时，在电解液与隔膜之间产生了一个相应的双电层。
2、根据权利要求1所述的导电薄膜，其特征在于，通过电位调节器、开关元件或直接连接的方式，将复合阳离子交换膜的导电薄膜接到负极上和将阴离子交换膜的导电薄膜接到正极上即可被偏置电位。
3、根据权利要求1所述的增强型复合离子交换膜，其特征在于，多孔导电薄膜可直接作为增强材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN 200410046084 CN1706541A (zh) | 2004-06-04 | 2004-06-04 | 附加可控双电层复合离子交换膜 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN 200410046084 CN1706541A (zh) | 2004-06-04 | 2004-06-04 | 附加可控双电层复合离子交换膜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN1706541A true CN1706541A (zh) | 2005-12-14 |
Family
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Family Applications (1)
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| CN 200410046084 Pending CN1706541A (zh) | 2004-06-04 | 2004-06-04 | 附加可控双电层复合离子交换膜 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN1706541A (zh) |
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2004
- 2004-06-04 CN CN 200410046084 patent/CN1706541A/zh active Pending
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