[发明专利]阴离子交换膜及制造方法

说明书

本申请要求2010年10月15日提交的美国临时申请61/393715的优先权。

技术领域

本发明的实施方式提供了阴离子交换膜及其制造方法。

背景技术

阴离子交换膜在电势或化学势下输送阴离子。阴离子交换膜将具有固定的正电荷以及移动的带正电的阴离子。离子交换膜的特性通过固定的离子基团的量、类型和分布来控制。在强碱和弱碱阴离子交换膜中，季胺和叔胺分别产生固定的带正电的基团。

离子交换膜的最重要应用为通过电渗析（ED）的对水进行脱盐，在反向电渗析中作为发电源以及在燃料电池中作为隔板。其它的应用包括在电镀和金属表面处理工业中回收金属离子以及在食品和饮料工业中的各种应用。

电渗析通过在直流电压的驱动力下用配对的阳离子和阴离子选择性膜来转移离子和某些带电的有机物来除去水的盐分。ED装置由导电的和设置为小室的相对壁的基本上水不可渗透性的阳离子选择性膜和阴离子选择性膜构成。邻近的小室形成小室对。膜堆由许多、有时为数百的小室对构成，并且ED系统可由许多堆构成。每个膜堆在其一端具有DC（直流电）正极并且在另一端具有DC阴极。在DC电压下，离子移动至相反电荷的电极。

小室对由两种类型的小室构成，稀释小室和浓缩小室。作为说明性的实例，考虑具有共用的阳离子交换膜壁和构成两个小室的两个阴离子交换膜壁的小室对。即，第一阴离子交换膜和阳离子交换膜构成稀释小室，阳离子交换膜和第二阴离子膜构成浓缩小室。在稀释小室中，阳离子将穿过面向正极的阳离子交换膜，但是在面向负极的方向上被浓缩小室的配对的阴离子交换膜所停止。类似地，阴离子穿过稀释小室的面向负极的阴离子交换膜，但是将被相邻对的面向正极的阳离子交换膜而停止。以这种方式，稀释小室内的盐将会被移除并且在相邻的浓缩小室中，阳离子将会由一个方向进入，并且阴离子由相对的方向进入。设置所述堆中的流动以使得稀释和浓缩的流被保持分离，并且由稀释流产生脱盐的水流。

在ED方法中，材料通常会在电场方向上的膜表面积聚，其可能并通常确实会降低方法效率。为了对付该作用，反向电渗析（EDR）被研发并且是目前使用的主要方法。在EDR中，电极定期地例如每十五至六十分钟在极性上反转。而且稀释和浓缩流也被同时转换，浓缩流变为稀释流，反之亦然。以这种方式，污垢沉积被移除并被冲走。

一旦稀释小室中的浓度降低至低于约2000毫克/升（mg/l），电阻就会处于电力需求变得越来越昂贵的水平。为了克服这一点，并且为了能够产生高质量的水，开发了电极电离作用（EDI），有时被称为连续电极电离作用（CEDI）。在该方法中，所述的小室填充有离子交换介质，通常为离子交换树脂珠。所述的离子交换介质的导电性比溶液高数个数量级。离子被所述珠传输至膜表面以传递至浓缩小室。当进料浓度被充分降低时，EDI相对于ED能够在更低的电力下制造更加纯净的水。

对于水的脱盐，ED方法相对于RO具有优势。它们需要更少的预处理，其将会降低运行成本。它们将会具有更高的产品水回收率以及更高的盐水浓度，即更少的盐被丢弃。

一价选择性或单价选择性膜主要转移单价离子。单价选择性阳离子交换膜主要转移钠、钾等。同时，单价选择性阴离子膜转移诸如氯、溴、硝酸根等的离子。

反渗透（RO）在通过膜工艺来由海水制造淡水中占主导。虽然电渗析（ED）被用于淡盐水和污水的脱盐作用，但是对于海水应用来说其通常被认为是过于昂贵的。为了可与RO竞争，ED和EDR将需要小于1欧姆-cm²，优选小于0.8欧姆-cm²，并且最优选小于0.5欧姆-cm²的膜电阻。所期望的离子选择渗透性大于90%，更优选大于95%，并且最优选大于98%。所述的膜必须具有长的服务期限，并且是物理坚硬和化学耐久以及低成本的。

反向电渗析（RED）将通过混合不同盐分的两种水溶液所产生的自由能转化为电能。盐度区别越大，用于发电的势能就越大。例如，研发人员已经研究了使用死海水和淡水或海水的RED。荷兰的研发人员将河水混入海洋和海水中。RED膜优选地将具有低电阻和高共离子选择性以及长使用寿命，可接受的强度和尺寸稳定性，并且重要的是低成本。

聚合物电解质膜（PEM）为一类既能充当电解质又能充当隔板防止来自于正极的氢和供给至负极的氧直接物理混合的离子交换膜。PEM包含带正电的基团，通常为磺酸基，附着至构成PEM的聚合物或者作为该聚合物的一部分。质子迁移穿过所述膜，通过从一个固定的正电荷跳跃至另一个来渗透所述膜。