[发明专利]以超支化聚合物为中间界面层的双极膜及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于双极膜制备技术领域，特别涉及一种以超支化聚合物为中间界面层的低水解离电压的双极膜及其制备方法。

背景技术：

双极膜是一种新型的离子交换复合膜，它通常包括阴离子选择层、阳离子选择层以及介于这两膜层之间的中间界面层。双极膜在反向偏压电场的作用下能够高效地将水解离成氢离子和氢氧根离子，从而能够将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱。基于双极膜的电渗析具有简单、高效、节能、清洁等优点，在控制污染、回收资源以及化工生产过程特别是有机酸的生产中具有广阔的应用，已成为电渗析工业中新的增长点。双极膜的中间界面层是双极膜水解离的区域，对双极膜的性能有至关重要的影响，文献报道可通过改善中间界面层来制备性能优异的双极膜。例如，英国爱斯维尔科学有限公司(Pergamon-Elsevier Science LTD)的《电化学学报》(Electrochimica Acta)第31卷1175-1176页报道了用无机电解质如钨酸钠、硝酸铬、三氯化钌或硫酸铟等预处理离子交换膜，然后再复合两相反电性的离子交换膜层制成双极膜。这种双极膜中所加入的金属离子催化了双极膜的水解离，但是在水解离过程中金属离子非常容易损失，致使双极膜的性能不够稳定，使用寿命很短。据美国专利US5227040和荷兰爱斯维尔科学出版社(Elsevier Science Publisher)的《膜科学杂志》(Journal of Membrane Science)第78卷13-23页报道，为了解决这个问题，可以将吸附了金属离子的离子交换膜先经热碱溶液处理再用来制备双极膜，或者将中间界面层吸附有金属离子的双极膜用热碱溶液进行后处理。然而这种固定金属离子的方法以及制备这种双极膜的方法较为繁琐，且在使用较长时间后膜两侧的电压降会升高，膜性能下降。中国专利申请号200410044997.7公开的一种用树枝形聚合物作为双极膜中间界面层的催化物质的方法得到的双极膜性能稳定，具有使用寿命长且制备过程简单等优点，但所得双极膜两侧的电压降依旧不够低，并且树枝状聚合物合成路线复杂，费用较高，使其应用范围受到一定限制。

发明内容：

本发明提供一种以超支化聚合物为中间界面层的双极膜及其制备方法，以克服现有技术的上述缺陷，使该双极膜具有低水解离电压、性能稳定且合成简单。

本发明的以超支化聚合物为中间界面层的双极膜，包括阴离子交换层、中间界面层和阳离子交换层，所述中间界面层由双极膜阴阳膜层界面处阴、阳离子交换膜层相对面的一部分和催化物质构成；其特征在于：所述催化物质为超支化聚合物，且至少在阴离子交换膜层或阳离子交换膜层或聚电解质糊三者之一上有分布；该超支化聚合物以季戊四醇或三羟甲基丙烷为核单元，以2，2-二羟甲基丙酸为支化单元，且外层端基为羟基或端羟基的改性物，包括胺基、羧基、巯基、羧酸根、磷酸根、季铵基团、硫酸根或亚硫酸根，其代数为2～7代。

本发明的以超支化聚合物为中间界面层的双极膜的制备方法，包括将催化物质吸附在阴离子或阳离子交换层上，然后以在一膜层的一侧表面上流涎电性相反的聚电解质糊的方式来制备双极膜，或者将两张电性相反的离子交换层以叠合、粘合或热压方式来制备双极膜；或将催化物质混合在聚电解质糊中，从两种电性相反的聚电解质糊来制备双极膜；其特征在于：所采用的催化物质是超支化聚合物，且至少在阴离子交换膜层或阳离子交换膜层或聚电解质糊三者之一上有分布；所述超支化聚合物以季戊四醇或三羟甲基丙烷为核单元，以2，2-二羟甲基丙酸为支化单元，且外层端基为羟基或端羟基的改性物，包括胺基、羧基、巯基、羧酸根、磷酸根、季铵基团、硫酸根或亚硫酸根，其代数为2～7代。

如果是以在一膜层一侧表面上流涎电性相反的聚电解质糊的方式来制备中间界面层含有超支化聚合物的双极膜，可以将超支化聚合物固定在该膜层上，或者将超支化聚合物加入到聚电解质糊中，或者在将超支化聚合物固定在该膜层上的同时也将超支化聚合物加入到聚电解质糊中，然后用通常的流涎方法来形成双极膜；将超支化聚合物固定在单极膜上的方式可以采取先将超支化聚合物配制成溶液，然后将单极膜在超支化聚合物的溶液中浸泡一段时间后取出，超支化聚合物就吸附在单极膜上；或者采用在单极膜上涂超支化聚合物的溶液将超支化聚合物固定在单极膜上。

如果是从两张电性相反的单极膜来制备中间界面层含有超支化聚合物的双极膜，可以将超支化聚合物固定在至少其中一张单极膜上，然后用通常的叠合、粘合或热压方法来形成双极膜。