[发明专利]离子交换膜

说明书

一种复合离子交换膜，其包含带阳离子电荷的膜和共价结合至带阳离子电荷的膜的带相反电荷的化合物，复合离子交换膜具有：(i)低于‑8mV的zeta电位；和(ii)低于20μmol/m²的有效电荷。

技术领域

本发明涉及离子交换膜和用于它们的制备的工艺以及用途。

背景技术

离子交换膜用于电渗析、反向电渗析、电解、扩散透析和许多其他工艺。典型地，在诸如离子浓度梯度或可选地电位梯度的驱动力的影响下，发生离子通过膜的传输。

根据它们的主要电荷，离子交换膜通常分为阳离子交换膜或阴离子交换膜。阳离子交换膜包含允许阳离子通过但排斥阴离子的带负电的基团，而阴离子交换膜包含允许阴离子通过但排斥阳离子的带正电的基团。

已知用带相反电荷的物质对离子交换膜进行表面处理以改变它们的分离特性。例如，WO2014165984描述了用包含以下物质的可聚合溶液对离子交换膜的表面处理：(i)具有选自(甲基)丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰胺基和乙烯基苄基的一个或多个烯属基团的带电离子单体，(ii)具有选自(甲基)丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰胺基和乙烯基苄基的两个以上烯属基团的疏水交联单体，(iii)自由基引发剂，和(iv)溶剂介质。在WO2014165984的实例3中，使用包含摩尔比为约0.86的4,4'-亚甲基双(环己基丙烯酰胺)交联剂和带正电的(3-丙烯酰胺基丙基)三甲基氯化铵的组合物对包含负电荷的阳离子交换膜进行表面改性。

期望提供具有以下性能的膜，例如，良好的选择性，特别是对于单价离子，高极限电流密度(LCD)和低电阻。特别地，即使当硝酸根以低含量存在于水中时，也期望离子交换膜能够从水中去除硝酸根。

发明内容

根据本发明，提供了一种复合离子交换膜，其包含带阳离子电荷的膜和与其共价结合的带相反电荷的化合物，该复合离子交换膜具有：

(i)低于-8mV的zeta电位；和

(ii)低于20μmol/m²的有效电荷。

本发明的复合膜具有良好的选择性、高极限电流密度(LCD)和低电阻。特别地，即使当硝酸根以低含量存在于水中时，膜也可用于从水中去除硝酸根。

具体实施方式

在该文件(包括其权利要求书)中，动词“包含”及其变形在其非限制性意义上用来表示在该词后面的项目被包括在内，但没有具体提到的项目不被排除。此外，不定冠词“一”或“一个”对元素的引用并不排除存在多于一种元素的可能性，除非上下文清楚地要求存在元素中的一个且仅有一个。不定冠词“一”或“一个”通常意味着“至少一个”。

为了简洁，在本说明书中，我们经常提到用于使复合膜成为“未处理的膜”的带阳离子电荷的膜。因此术语“带阳离子电荷的膜”和“未处理的膜”是可以互换的。

典型地，从中获得复合膜的未处理的膜是聚合物，其通过包含以下步骤的工艺获得：包含交联剂和具有阳离子电荷的单官能烯属不饱和单体的组合物的聚合。未处理的膜可以商业获得，例如，来自FUJIFILM。

优选的具有阳离子电荷的单官能烯属不饱和单体包含季铵基团。这种化合物的实例包括(3-丙烯酰氨基丙基)三甲基氯化铵、3-甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵、(α-乙烯基苄基)三甲基氯化铵、(2-(甲基丙烯酰氧基)乙基)三甲基氯化铵、[3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵、(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙基)三甲基氯化铵、3-丙烯酰胺基-3-甲基丁基三甲基氯化铵、丙烯酰氨基-2-羟基丙基三甲基氯化铵、N-(2-氨基乙基)丙烯酰胺三甲基氯化铵和包含它们的两种或多种的混合物。

包括多孔支持件(当存在时)的复合膜和/或未处理的膜的厚度优选小于250μm，更优选5-200μm，最优选10-150μm，例如约20μm、约50μm、约75μm或约100μm。