[发明专利]可固化组合物和膜

说明书

技术领域

本发明涉及可固化组合物、它们在膜制备中的应用以及这种膜在离子交换工艺中的应用。

背景技术

离子交换膜用于许多应用，包括在例如流过式电容器(FTC)中用于净化水的电去离子(EDI)、连续电去离子(CEDI)、电渗析(ED)、反向电渗析(EDR)和电容去离子化；用于例如氟化物去除或酸回收的唐南(Donnan)或扩散渗析(DD)；用于有机溶剂脱水的渗透蒸发；燃料电池；水电解(EL)或用于氯碱生产；以及其中通过离子渗透膜将两股盐浓度不同的液流分开来发电的逆电渗析(RED)。

电去离子(EDI)是其中采用膜及电势影响离子迁移而从含水液体中除去离子的水处理工艺。其与诸如常规离子交换的其他净水技术的不同之处在于其不需要使用诸如酸或苛性钠的化学物质。EDI可以用于生产超纯水。

电渗析(ED)和反向电渗析(EDR)是从水和其他流体中除去离子和其他带电物质的电化学分离工艺。ED和EDR采用少量电运送这些物质通过由离子交换材料组成的膜从而产生分离的纯化液流和浓缩液流。借助直流电(DC)电压使离子穿过膜转移，由于电流驱使离子穿过膜以除去待处理的液流中的盐分，因此离子被从供给流体中去除。ED和EDR是适合用于生产饮用水的技术。离子交换膜还用于零排放脱盐技术(ZDD)。

膜电极组件(MEA)适用于多种应用，诸如电解、传感器，尤其是燃料电池。

流过式电容器(FTC)是采用带电碳电极除去离子而不使用化学物质的减少总溶解固体(TDS)的有效装置。

离子交换膜的生产中的一个重要问题是如何提供具有最小缺陷的薄膜。期望的是，膜具有良好的选择渗透性和低电阻。另外，期望膜具有强度，同时具有柔韧性。柔韧性是用于缠绕成紧密圆周结构的膜所必需的。膜还需要在较长时间内保持其物理完整性。期望的是，用于制备膜的方法不会导致过多卷曲。还期望膜能够耐受它们可能接触到的化学物质，例如，抗水解性。

膜使用者要求获得最低价格，这意味着用于膜的生产工艺是理论上便宜的并且膜应当能够很容易地进行大量生产。

US 2008/286627描述了用于燃料电池的膜的制备。实施例6包括约10份具有两个丙烯酰胺基团的交联剂、40份可固化离子单体和50份水以及光引发剂。但是，实施例中使用的组合物包含超过45wt％的溶剂。

发明内容

除了用于制备膜的快速工艺和通过该工艺制备的膜，以及这些膜的应用外，本发明还致力于提供适合用于制备膜的组合物。

根据本发明的第一方面，提供了可固化组合物，包括：

(i)2.5-50wt％的包含至少两个丙烯酰胺基团的交联剂；

(ii)20-65wt％的包含烯键式不饱和基团和阴离子基团的可固化离子化合物；

(iii)15-45wt％的溶剂；以及

(iv)0-10wt％的自由基引发剂；

其中，(i)与(ii)的摩尔比是0.1-1.5。

令人惊奇的是，当(i)与(ii)的摩尔比是0.1-1.5时，由该组合物衍生的膜与摩尔比在该范围外时相比具有高选择渗透性和低电阻率的良好组合。

优选地，组合物的pH为0.8-12，更优选1-11。

组合物的优选pH在一定程度上取决于可固化离子化合物是游离酸形式还是盐形式。当可固化离子化合物是游离酸形式时，组合物的pH优选是1.1-5，更优选是1.1-2.5，尤其是约1.5。当可固化离子化合物的至少95％是盐形式时，组合物的pH优选是2-10，更优选是3-8，尤其是4-7，更尤其是4-5。

在一个实施方案中，组合物不包含自由基引发剂，或者进一步包含0.005-10wt％的光引发剂。

交联剂优选以4-45wt％、更优选6-45wt％、尤其是8-40wt％，更尤其是9-25wt％的量存在于组合物中。相对高的交联剂含量通常导致高选择渗透性并具有高电阻，而对于相对低的交联剂含量来说，形成的膜结构更开阔，导致稍微降低的选择渗透性。相对低的交联剂含量容许更高含量的可固化离子化合物和更高的溶胀度，这两者都可以用于获得具有低电阻的膜。

根据得到的膜的所需性质(其反过来取决于膜的预期应用)，选择交联剂与可固化离子化合物的比例。