[发明专利]用于氯碱工业的离子传导膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于离子膜技术领域，具体涉及一种用于氯碱工业的离子传导膜及其制备方法。

背景技术

近年来，在离子膜法氯碱生产中，为实现在高电流密度、低槽电压、与碱液浓度高的条件下进行电解，以达到提高生产率与降低电耗的目的，其关键在于缩短离子膜与电极间的距离，以降低其槽电压，使窄极距型的离子膜电解工艺达到实用化。随着技术的不断进步，零极距电解槽已得到广泛应用，但当电极间的距离减少到小于2mm时，由于膜与阴极紧贴，而使膜面上粘附的氢气泡难于释放，故在面向阴极的膜面上积聚了大量的氢气泡。气泡阻碍了电流通道，使膜的有效电解面积减少，导致膜面上电流分布不均，局部极化作用明显增加。由此，反而使膜电阻与槽电压急剧增大，其电解电耗显著升高。

为克服气泡效应所带来的缺点，使粘附的氢气泡从亲水性小的膜面上快速释放出去，开发了离子膜表面亲水涂层的改性方法。在膜表面覆盖一种气体和液体都能渗透的多孔型、无电催化活性的非电极涂层后，使膜面亲水性明显增加，抗起泡能力显著提高。亲水涂层改性后的离子膜，可以与电极紧贴，极大降低槽电压，目前被广泛应用于零极距型离子膜电解工艺。亲水涂层改性工艺需要由无机物组分与特种粘结剂混配后，通过电解沉积法、粒子埋入法等覆盖在离子膜表面，专利CA2446448和CA2444585对涂层工艺进行了具体介绍；此种改性方法虽然效果显著，但工艺相对复杂。此外，由于离子膜在电解运行过程中会经历碱液流的不断冲刷和湍流造成的不断震荡，附着在离子膜表面的亲水涂层会逐渐脱落，防起泡功能逐渐降低至无效。

专利US4502931提到将离子膜表面采用离子刻蚀的方法进行表面粗糙化改性，但该方法不仅不易大面积实施，且抗起泡能力不高，当极间距离减少到一定程度时，其槽压仍大于3.5V，且电流效率低于90％。

因此，开发一种新型的用于氯碱工业的离子传导膜，其表面具有长期有效的亲水脱气功能，且能够在最先进的电解槽及电解工艺过程中持续提供良好的抗起泡效果、降低槽电压、提高电流效率，并能降低电耗，具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于氯碱工业的离子传导膜，用于氯碱工业可以稳定高效地处理宽范围浓度的碱金属氯化物溶液，适合在新型高电流密度条件下的零极距电解槽中运行，具有十分优异的产品纯度指标；本发明还提供其制备方法，工艺简单合理，易于工业化生产。

本发明所述的用于氯碱工业的离子传导膜，由全氟离子交换树脂基膜、多孔增强材料和全氟离子交换树脂微颗粒表面层组成。

其中：所述的全氟离子交换树脂基膜是由以全氟磺酸树脂为主的树脂层和以全氟羧酸树脂为主的树脂层组成，以全氟磺酸树脂为主的树脂层厚度为30-300微米，优选50-150微米，以全氟磺酸树脂为主的树脂层膜内固定离子含量较少，且对氢氧根的排斥力较弱，厚度不宜过薄；以全氟羧酸树脂为主的树脂层厚度为2-30微米，优选7-18微米，以全氟羧酸树脂为主的树脂层膜电阻较大，厚度不宜过大。

以全氟磺酸树脂为主的树脂层是以质量比为100:0.1-100:10的全氟磺酸树脂和全氟羧酸树脂共混或共聚而成；其质量比优选为100:0.5-100:5。全氟羧酸树脂在以全氟磺酸树脂为主的树脂层中的少量存在却能起到关键的过渡作用，使得膜中的水和离子的透过梯度减弱，对离子膜的通量稳定性起到关键作用，同时可防止不同膜层间的剥离。

以全氟羧酸树脂为主的树脂层是以质量比为100:0.1-100:10的全氟羧酸树脂和全氟磺酸树脂共混或共聚而成，优选100:0.5-100:5。全氟磺酸树脂在以全氟羧酸树脂为主的树脂层中的少量存在也能起到上段所述的关键过渡作用。

全氟磺酸树脂的交换容量为0.8-1.5毫摩尔/克，优选0.9-1.1毫摩尔/克；全氟羧酸树脂的交换容量为0.8-1.2毫摩尔/克，优选0.85-1.0毫摩尔/克。两种树脂的交换容量要相匹配，差值不宜太大。

全氟离子交换树脂微颗粒表面层厚度为20纳米-100微米之间，优选50纳米-1微米。