[发明专利]一种双极膜及其制备方法

说明书

一种双极膜及其制备方法，属于膜技术领域。包括双极膜中间界面层的微纳米二氧化钛和含多巴胺结构的有机物，通过超声喷涂技术将中间界面层的物质喷涂到阳离子交换膜表面。具体方法包括：将阳离子交换膜剪成样膜并浸泡于去离子水中至其完全浸润。称取一定量的钛酸四丁酯到一定量的水和乙醇的混合溶液，搅拌形成悬浮液；然后配置多巴胺盐酸盐水溶液。取出阳离子交换膜待其表面干燥后，将多巴胺盐酸盐和悬浮液分别压入不同的超声喷头中，通过超声分散成微纳米液滴和雾化为纳米尺度液滴，均匀分散到样膜表面，最后喷涂阴离子交换膜。本发明的中间界面层具有超亲水的性能，同时双极膜I‑V曲线测定膜两侧压降小。

技术领域

本发明涉及一种双极膜，主要是通过超声喷涂技术喷涂含多巴胺结构的有机物和无机微纳米粒子作为双极膜的中间界面层，制备得到双极膜，属于膜技术领域。

背景技术

双极膜是由阳离子交换膜、阴离子交换膜以及两者之间的中间界面层构成的一种新型离子交换膜。制备双极膜的方法主要包括：热压法、粘合成型法、流延法、电沉积法和静电纺丝法，存在阴、阳膜层相互渗透，两膜层之间粘合不紧密，易脱落等问题。本实验采用超声喷涂技术，超声喷涂方法分为物理过程和化学过程，是物理技术和化学技术的结合，与传统改性膜表面的方法相比，超声喷涂层层自组装方法能有效降低水通量以及减轻水阻力，还可以改变表面的电荷种类，提供更多的结合位点，从而实现了表面多功能化，因而被广泛应用于膜的制备和表面改性。通过喷涂自组装方法制备的膜不仅厚度可控，制备周期短，而且非常均匀，可以形成光滑致密的膜层，还可以通过改变喷涂的溶液浓度、时间、层数等，调控膜的厚度并将其控制在纳米级。超声还有助于促进聚合物和非溶剂相在溶剂相中的分散。

目前双极膜电渗析技术在环境保护、食品、医药化工、生物发酵等方面都已经进入工业化的应用阶段，但是双极膜在应用过程中仍存在跨膜压降较大，损失能耗较大、机械稳定性和化学稳定性较差等问题。

中间界面层是双极膜的重要组成部分，研究发现，双极膜的水解离主要发生阴离子交换膜层和阳离子交换膜层之间的中间界面层，因此，对双极膜中间界面层改性是提高水解离效率，降低双极膜工作电压的一种重要手段。

Taniokad等制备了阴、阳离子交换纤维，使用静电喷涂沉积法(EDS)，然后将阴、阳离子交换树脂引入到双极膜的中间界面层，从而制备得到了复合双极膜。制备得到的阴、阳离子交换纤维是由细小纤维构成的，施加反向电压时，由于离子交换纤维具有较大的孔隙率和比表面积，能有效催化双极膜中间界面层的水解离，从而降低双极膜的工作电压。Moon等通过旋涂法将被碱处理后的聚丙烯腈引入到双极膜的中间界面层，研究发现双极膜的水解离效率随着其中间界面层固定电荷的增加而提高。

Mcdonald和Wang haizhi均使用氧化石墨烯改性双极膜的中间界面层，将氧化石墨烯作为水解离的催化剂，与中间界面层空白制备的双极膜进行比较，进行了电流-电压曲线测试，得到了电流-电压曲线。结果表明，改性后制备的双极膜选择渗透性更高，膜阻抗降低。而且由于氧化石墨烯相比于其他的引入的水解离催化剂有自身的独特优势，中间界面层引入氧化石墨烯是通过改变双极膜的结构提高水解离效率，因而不用考虑中间界面层厚度的增加对双极膜的水解离效率的影响。将氧化石墨烯引入到双极膜的中间界面层，能提高双极膜的亲水性，而且成本和膜阻抗低等优点，所以氧化石墨烯在双极膜的制备方面具有很好的前景。

Xu等还通过分别将聚乙烯醇、牛血清蛋白引入到双极膜的中间界面层，得出了双极膜中间界面层的亲水性越强，水解离效能越好。Xu等还通过将树枝形大分子聚酰胺和Cr(Ш)的配合物引入中间层，其催化水解离效能强于只引入树枝形大分子聚酰胺或者Cr(Ш)。Xu等将羧基化的Boltorn*H30改性双极膜的中间界面层，制备的双极膜相比于中间界面层直接引入Boltorn*H30制备的双极膜，其工作电压降低了1.8V。Xu等将凹凸棒石和三氯化铁共同引入中间层，凹凸棒石和三氯化铁对双极膜中间界面层的水解离具有协同作用，而且凹凸棒石和三氯化铁作为中间界面层的浓度效应和空间效应是水解离的主要影响因素。