[发明专利]阳离子交换聚合物和生产方法

说明书

本公开提供生产阳离子交换聚合物的方法，该方法包括在具有阳离子官能团的可聚合交联剂的存在下使阴离子单体聚合。使用足量的阴离子单体以提供以下二者：用于阳离子交换所必需的阴离子电荷，以及与交联剂中阳离子官能团配对所必需的阴离子电荷。

领域

本公开涉及阳离子交换聚合物和制作此类聚合物的水基方法。

背景

以下段落并非承认其中讨论的任何方面是现有技术或本领域技术人员所知的部分。

离子交换膜用于电分离技术，例如电渗析(ED)、反向电渗析(EDR，electrodialysis reversal)和电去离子(EDI)。离子交换膜可用于回收和富集离子，或从废水中除去不合需要的/有毒的离子。可通过使具有阴离子官能团的单体与包含至少二个可聚合官能度的交联剂一起聚合来制备阳离子交换膜。示例性的阴离子官能团是磺酸根。可在稳定的增强材料存在下进行聚合，该稳定的增强材料例如聚丙烯、聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯或本领域已知的另外的增强材料。

阳离子交换膜也用于膜电容去离子。电容去离子(CDI)通过离子的电吸附使水去离子。在两个多孔碳电极上施加的电势差导致通过贮存在正极化电极中来去除阴离子，并通过贮存在负极化电极中来去除阳离子。膜电容去离子包括正极化电极上的阴离子交换膜和负极化电极上的阳离子交换膜。

介绍

以下介绍旨在向读者介绍本说明书而不旨在限定任何发明。一个或多个发明可以存在于下文或本文件的其他部分中描述的元素或方法步骤的组合或子组合中。仅仅通过不在权利要求中描述这样的其他发明(一个或多个)，发明人并非放弃或不要求对本说明书中公开的任何发明(一个或多个)的权利。

由于离子单体带电荷，它们通常是水溶性的。然而，目前用于阳离子交换聚合物的交联剂是非极性有机分子，并且水溶性不足以使它们能够用于在水中与离子单体产生均质溶液。在没有交联剂和离子单体的均质水溶液的情况下，难以产生阳离子交换聚合物。极性有机溶剂或共溶剂的混合物可用于制备这种足够均质的溶液。然而，使用这些溶剂可能是昂贵的、有毒的、需要一种或多种下游工艺以处理废物、或其组合。

期望开发一种用于产生阳离子交换聚合物的方法，其中形成该聚合物的反应在水基溶液中进行。一个或多个所描述的实施方案试图解决或改善涉及生产阳离子交换树脂的一个或多个缺点。

在一个方面，本公开提供了一种方法，其中在具有阳离子官能团的交联剂的存在下使阴离子单体聚合。将阳离子交联剂和阴离子单体溶解在水基溶液中。由于阴离子单体与阳离子交联剂的聚合产生具有阳离子官能团的聚合物，本公开的作者确定应该使用足够量的阴离子单体以提供以下二者：用于阳离子交换所必需的阴离子电荷，以及用于与交联剂中的阳离子官能团配对并中和所必需的阴离子电荷。通过阴离子电荷的摩尔过量来确定聚合物的阴离子当量(例如meq/g)。基于阴离子电荷的摩尔数:阳离子电荷的摩尔数来确定该摩尔过量。

可以对阳离子交联剂和阴离子单体进行选择以使得它们在水中充分可溶，从而在可制作足够均质的溶液的同时显著减少或避免极性有机溶剂。水溶性聚合催化剂可用于帮助引发反应。

阳离子交联剂和阴离子单体二者包括可相互聚合的官能团。交联剂和单体可具有在自由基聚合中可聚合的官能团。

阳离子交联剂可包括季铵官能团或基于吡啶鎓的官能团。阴离子单体可包括磺酸根官能团、磷酸根官能团或羧酸根官能团。