本申請(qǐng)屬于雙極膜，具體涉及一種雙極膜、電滲析裝置、制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、雙極膜是一種新型的離子交換復(fù)合膜，它通常由陽(yáng)離子交換層、中間層和陰離子交換層復(fù)合而成。中間層通常厚度為幾納米，呈電中性且含有催化劑。在直流電場(chǎng)作用下，雙極膜中間層可將水離解產(chǎn)生h+和oh-。隨后，產(chǎn)生的h+和oh-在陰、陽(yáng)兩極間電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下，分別向陰、陽(yáng)兩極遷移。同時(shí)，雙極膜兩側(cè)溶液中的水會(huì)通過ael、cel進(jìn)入到il層，補(bǔ)充水的消耗。

2、雙極膜是雙極膜電滲析裝置的核心部件，雙極膜的性能對(duì)雙極膜電滲析工藝起著決定性的影響。目前雙極膜的水解離效率較低，水解離電壓和能耗較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)目前存在的雙極膜的水解離效率較低，水解離電壓和能耗較高的技術(shù)問題，提供一種雙極膜、電滲析裝置、制備方法和應(yīng)用。

2、在一些實(shí)施方式中，提供一種雙極膜，包括依次疊加的陽(yáng)離子交換膜、中間層和陰離子交換膜，其中，所述中間層包含氮摻雜氧化石墨烯。

3、在一些實(shí)施方式中，所述的雙極膜滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

4、所述中間層含有的氮摻雜氧化石墨烯的負(fù)載量為0.2mg/cm2~1.0mg/cm2；

5、所述中間層含有的氮摻雜氧化石墨烯中氮元素的摩爾百分比為4%~5%；

6、所述中間層含有的氮摻雜氧化石墨烯的粒徑小于等于0.054mm。

7、在一些實(shí)施方式中，所述的雙極膜滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

8、所述陽(yáng)離子交換膜包含磺化聚砜，所述磺化聚砜的磺化度為35%~50%；

9、所述陰離子交換膜包含季胺化聚砜，所述季胺化聚砜的季胺化度為40%~50%。

10、在一些實(shí)施方式中，提供一種雙極膜的制備方法，包括以下步驟：

11、采用流延法將陽(yáng)離子交換膜液在基板上成膜，制備得到陽(yáng)離子交換膜；

12、將氮摻雜氧化石墨烯負(fù)載至所述陽(yáng)離子交換膜上，在所述陽(yáng)離子交換膜上形成包含所述氮摻雜氧化石墨烯的中間層；

13、將陰離子交換膜液流延至所述中間層遠(yuǎn)離所述陽(yáng)離子交換膜的一側(cè)表面上，干燥，在所述中間層遠(yuǎn)離所述陽(yáng)離子交換膜的一側(cè)表面上形成陰離子交換膜，制備得到雙極膜。

14、在一些實(shí)施方式中，所述雙極膜的制備方法中，所述陽(yáng)離子交換膜液包含磺化聚砜和第一有機(jī)溶劑；所述陰離子交換膜液包含季胺化聚砜和第二有機(jī)溶劑；

15、在一些實(shí)施方式中，所述雙極膜的制備方法滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

16、在所述陽(yáng)離子交換膜液中，按投料量計(jì)，所述磺化聚砜與所述第一有機(jī)溶劑的比例為10g：（50~75）ml；

17、在所述陰離子交換膜液中，按投料量計(jì)，所述季胺化聚砜與所述第二有機(jī)溶劑的比例為10g：（50~75）ml；

18、所述第一有機(jī)溶劑和所述第二有機(jī)溶劑各自獨(dú)立地包含二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和n-甲基吡咯烷酮中的一種或多種；

19、所述將氮摻雜氧化石墨烯負(fù)載至陽(yáng)離子交換膜上的步驟包括：將所述氮摻雜氧化石墨烯與第三溶劑混合，制備得到中間層懸浮液，將所述中間層懸浮液負(fù)載至所述陽(yáng)離子交換膜上，進(jìn)行抽濾處理。

20、在一些實(shí)施方式中，所述雙極膜的制備方法中，所述磺化聚砜的制備方法包括如下步驟：

21、在第四有機(jī)溶劑存在條件下，將第一聚砜與硫酸進(jìn)行磺化反應(yīng)，醇析，干燥，制備到所述磺化聚砜；

22、可選地，所述磺化聚砜的制備方法滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

23、按投料量計(jì)，所述第一聚砜與所述硫酸的比例為10g：（2~10）ml；

24、按投料量計(jì)，所述第一聚砜與所述第四有機(jī)溶劑的比例為10g：（100~150）ml；

25、所述第一聚砜重均分子量為30kda~40kda，所述第一聚砜的數(shù)均分子量為20kda~30kda；

26、所述第四有機(jī)溶劑包含二氯乙烷、二氯甲烷和三氯甲烷中的一種或多種。

27、在一些實(shí)施方式中，所述雙極膜的制備方法中，所述氮摻雜氧化石墨烯的制備方法包括如下步驟：

28、將氧化石墨烯粉末加入氨水中，將所得懸浮液進(jìn)行攪拌，固液分離，洗滌，干燥，制備得到粒徑小于等于0.054mm的氮摻雜氧化石墨烯；

29、可選地，所述氮摻雜氧化石墨烯的制備方法滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

30、按投料量計(jì)，所述氨水相對(duì)于所述氧化石墨烯的體積質(zhì)量比為（0.8~2）ml/mg；

31、所述氨水的濃度為0.2mol/l~0.3mol/l；

32、將所得懸浮液進(jìn)行攪拌步驟中，在30℃~75℃條件下進(jìn)行攪拌；

33、將所得懸浮液進(jìn)行攪拌步驟中，進(jìn)行所述攪拌的時(shí)間為4h-6h；

34、將所得懸浮液進(jìn)行攪拌步驟中，進(jìn)行所述攪拌的轉(zhuǎn)速為200rpm-400rpm。

35、在一些實(shí)施方式中，所述雙極膜的制備方法中，所述季胺化聚砜的制備方法包括如下步驟：

36、在第五有機(jī)溶劑存在條件下，將第二聚砜和氯甲基乙醚、無(wú)水四氯化錫進(jìn)行反應(yīng)，醇析，干燥，制備得到氯甲基化聚砜；

37、在第六有機(jī)溶劑存在條件下，將所述氯甲基化聚砜與三乙胺進(jìn)行反應(yīng)，醇析，干燥，制備得到所述季胺化聚砜；

38、可選地，所述季胺化聚砜的制備方法滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

39、按投料量計(jì)，所述第二聚砜與所述第五有機(jī)溶劑的比例為10g：（100~150）ml；

40、按投料量計(jì)，所述第二聚砜與所述氯甲基乙醚的比例為10g：（5~10）ml；

41、按投料量計(jì)，所述第二聚砜與所述無(wú)水四氯化錫的比例為10g：（1~2）ml；

42、按投料量計(jì)，所述氯甲基化聚砜與所述第六有機(jī)溶劑的比例為5g：（100~200）ml；

43、按投料量計(jì)，所述氯甲基化聚砜與所述三乙胺溶液的比例為5g：（5~10）ml；

44、所述第二聚砜重均分子量為30kda~40kda，所述第二聚砜的數(shù)均分子量為20kda~30kda；

45、所述第五有機(jī)溶劑包含二氯乙烷、二氯甲烷和三氯甲烷中的一種或多種；

46、所述第六有機(jī)溶劑包含n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺和n,n-二甲基乙酰胺中的一種或多種。

47、在一些實(shí)施方式中，提供所述的雙極膜或所述的制備方法制備得到的雙極膜在水解離或在制備電滲析裝置中的應(yīng)用。

48、在一些實(shí)施方式中，提供一種電滲析裝置，包含所述的雙極膜或所述的制備方法制備得到的雙極膜。

49、前述提供的雙極膜水解離效率高，產(chǎn)酸堿速率高，水解離過程中所需的電壓較低，能耗較低。中間層含有的氮摻雜氧化石墨烯，可以增加中間層的水解離速率和親水性，進(jìn)而降低跨膜電壓。提供的雙極膜的制備方法，制備過程簡(jiǎn)單，可精準(zhǔn)調(diào)控中間層含量。

技術(shù)特征：

1.一種雙極膜，其特征在于，包括依次疊加的陽(yáng)離子交換膜、中間層和陰離子交換膜，其中，所述中間層包含氮摻雜氧化石墨烯。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極膜，其特征在于，滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極膜，其特征在于，滿足如下特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

4.一種雙極膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述陽(yáng)離子交換膜液包含磺化聚砜和第一有機(jī)溶劑；所述陰離子交換膜液包含季胺化聚砜和第二有機(jī)溶劑；

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述磺化聚砜的制備方法包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求4~6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述氮摻雜氧化石墨烯的制備方法包括如下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求4~7任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述季胺化聚砜的制備方法包括如下步驟：

9.權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的雙極膜或權(quán)利要求4~8任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的雙極膜在水解離或在制備電滲析裝置中的應(yīng)用。

10.一種電滲析裝置，其特征在于，包含權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的雙極膜或權(quán)利要求4~8任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的雙極膜。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種雙極膜、電滲析裝置、制備方法和應(yīng)用。提供的雙極膜包括依次疊加的陽(yáng)離子交換膜、中間層和陰離子交換膜，其中，中間層包含氮摻雜氧化石墨烯。提供的雙極膜水解離效率高，產(chǎn)酸堿速率高，水解離過程中所需的電壓較低，能耗較低。

技術(shù)研發(fā)人員：蔡建國(guó),蔡行知
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇海普功能材料有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6