论文部分内容阅读
分离膜在生产生活中具有重要作用,基于不同膜的分离和纯化工艺在工业和生活中的应用不断增长。近年来,离子交换膜就解决与能源和环境相关的问题做出了重要贡献。电解锰行业因电解产生大量硫铵废渣,废渣的堆积不仅浪费土地资源,而且造成环境污染。“双膜三室”槽电解技术可以绿色环保且经济有效地处理硫铵废渣,而离子交换膜是“双膜三室”槽电解设备的核心部件之一。聚偏氟乙烯（PVDF）具有非常强的韧性、耐腐蚀性、耐老化性、耐辐照性以及耐热性,以PVDF为膜基质,N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,苯乙烯为接枝物,二乙烯基苯（DVB）为交联剂,过氧化苯甲酰（BPO）和/或偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂,通过溶剂挥发和磺化制备了PVDF阳离子交换膜。然后利用被3-巯丙基三乙氧基硅烷表面改性的纳米SiO2粒子制备了复合PVDF阳离子交换膜（PVDF/SH-SiO2）。PVDF阳离子交换膜的膜结构和膜性能受引发剂BPO和AIBN的含量影响。通过扫描电镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）对膜的微观形貌和化学结构分析发现,BPO作引发剂使苯乙烯自聚、交联并与线性高分子PVDF形成的半互穿网络结构有效改善了膜的致密性;AIBN作引发剂可使苯乙烯取代PVDF碳原子上的H或F原子直接接枝在线性PVDF链上。BPO和AIBN同时使用时,BPO形成的半互穿网络结构和AIBN产生的直接接枝的共同作用提高了膜性能。当BPO含量为0.2%、AIBN含量为0.4%时,制备的离子交换膜的离子交换容量（IEC）达到最高为1.55 mmol/L,含水率达到最高为55.46%,膜电阻也达到最低为4.2??cm2。而当BPO含量为0.2%、AIBN含量为0.2%（PVDF-4）时,膜的迁移数达到最大为94.85%。最后利用循环伏安法曲线和计时电位法曲线对PVDF-4膜的选择透过性和膜电阻进行了验证分析。基于PVDF-4膜的制备,利用被3-巯丙基三乙氧基硅烷表面改性的纳米SiO2（SH-SiO2）制备了复合PVDF阳离子交换膜。通过FTIR分析发现3-巯丙基三乙氧基硅烷水解后可以取代纳米SiO2表面的部分羟基从而实现改性。通过SEM分析发现纳米SH-SiO2粒子在膜基质内分散性好,与膜基质结合的较好且在膜内无团聚现象,添加纳米SH-SiO2粒子后膜结构更致密。研究发现纳米SH-SiO2粒子的添加显著提高了复合膜的性能。复合PVDF阳离子交换膜的IEC、含水率、迁移数和固定电荷浓度均随纳米SH-SiO2粒子含量的增加而增加,膜电阻则随纳米SH-SiO2粒子含量的增加而降低。当纳米SH-SiO2粒子的添加量为2.0%时,复合PVDF阳离子交换膜的IEC为1.79 mmol/g、含水率为52.46%、迁移数为96.1%、膜电阻为2.4??cm2。利用实验室自制膜和商品膜进行了“双膜三室”槽电解硫铵溶液的应用研究。研究发现,使用实验室自制膜进行电解时产生的电解效率更高,耗电量更低,且采用PVDF/SH-SiO2-4膜得到的电解效率最高为91.23%,耗电量最低为1.547 W?h/g。这是因为实验室自制的PVDF-4膜和PVDF/SH-SiO2-4膜具有较低的膜电阻和较高的离子选择透过性。