[发明专利]一种纳米Zn2+-TiO2改性聚乙烯亚胺/聚丙烯酸钠双极膜制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种纳米Zn²⁺-TiO₂改性聚乙烯亚胺/聚丙烯酸钠双极膜制备方法，属于双极膜领域。

背景技术

双极膜(BPM)是20世纪后期发展起来的一种新型的离子交换复合膜，由均相的阳膜(CM)和阴膜(AM)及中间界面层(即阳、阴两膜层内侧及其邻近区域)所组成。在直流电场作用下(当跨膜电压为1V时，中间界面层中的电场强度可高达10⁸～10⁹V?m^?1)，双极膜中间界面层中的水将解离成氢离子和氢氧根离子。近年来，BPM技术在环境保护、生物化工和海洋化工等诸多领域中的应用取得了迅速发展。

双极膜有的阴、阳离子交换层必须具有高的选择透过性，这样才能有效地把水解离产生的的H⁺、0H^-迁移到膜外溶液中，膜外溶液中的水分也必须能及时地渗透补充到中间层，另外还要求膜薄而机械强度高、低电阻耐高电流密度、水解离电压小、效率高等条件。对双极膜阴、阳膜层进行改性，不但可以提高阴、阳膜层的性能，而且可引起阴、阳膜层内侧的中间界面层结构和性能发生变化，从而促进其中水的解离，达到降低双极膜的膜阻抗与跨膜压降，降低能耗和生产成本的目的。

发明内容

本发明主要解决的技术问题：针对目前制成双极膜的材料使用久后阴阳层会相互穿透，而且机械稳定性不强，膜层结合不够牢固，会有剥离脱落的现象产生的问题，提供了一种纳米Zn²⁺-TiO₂改性聚乙烯亚胺/聚丙烯酸钠双极膜制备方法，本发明在铸膜液中添加制得的纳米Zn²⁺-TiO₂粉末，形成的双极膜可以改变双极膜中间界面层的属性，消弱水的结合力，增加中间层的亲水性，从而促进水的解离，降低膜电压，并且使中间层附着力增强，不易溶解或者脱落，制得的双极膜既要保证阴阳层不能相互穿透，又要机械稳定性强，与膜层牢固结合，不能剥离。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

（1）称取13～15g纯锌粒于500mL的烧杯中，向烧杯中加入160～180mL去离子水和160～180mL质量分数98%硝酸，放在35～40℃电热板上进行加热，并同时进行搅拌至固体溶解，溶解后继续搅拌加热至溶液体积浓缩至160～180mL，停止加热冷却至室温，将溶液移入2L容量瓶中，加去离子水稀释至刻度；

（2）向500mL的三口烧瓶中，分别量取40～50mL无水乙醇、10～15mL冰醋酸和5～7mL上述稀释后溶液，用磁力搅拌机搅拌5～10min，量取15～20mL钛酸丁酯和45～50mL无水乙醇装入分液漏斗中，摇晃均匀后在搅拌的条件下缓慢滴加在三口烧瓶中，搅拌至滴加完毕，之后放入室温下静置30～40min，形成均匀透明的溶胶，将溶胶陈化1～2h，陈化后过滤去除上清液，将下层凝胶进行自然风干，风干后研磨成170～180目粉末，将粉末放入140～150℃的烘箱中干燥1～2h，干燥后的粉末再放入马弗炉中，设置450～550℃进行焙烧80～90min，焙烧后研磨、过筛得纳米Zn²⁺-TiO₂粉末；

（3）称取9～15g聚乙烯亚胺于烧杯中，向杯中加入280～350mL去离子水，再加入5～10g聚乙烯、0.3～0.5mL戊二醛，放入60～75℃的水浴中，搅拌至固体溶解，再用超声波脱泡5～8min，得到透明膜液，流延于平整的培养皿中，在室温下风干成膜，蒸馏水冲洗3～5次，自然风干，即得聚乙烯-聚乙烯亚胺阴离子交换膜；

（4）称取1～3g聚丙烯酸钠，加入300～350mL去离子水，快速搅拌均匀，再加入3～8g聚乙烯、0.2～0.5g氯化钾、3～5滴丙酮于烧瓶中，再加入100～120mL蒸馏水，搅拌至溶解得透明溶液，称取0.5～0.7g步骤（2）得到的纳米粉末于溶液中，再加入50～70mL无水乙醇，用超声波分散15～20min，分散后减压脱泡15～25min，得到阳离子铸膜液；

（5）将上述阳离子铸膜液喷涂至干燥后的阴离子交换膜上，喷涂均匀后将其放入空气中自然干燥完全，即可得到双极膜。