等離子體表面接枝及涂覆改性陽離子交換膜.pdf

1、膜分離技術是一種高效且經濟的物質處理技術。它是利用膜特殊的分離性能，在外界壓力差、濃度差、電位差等作為推動力下，使某些特定物質（如有機分子、無機離子、重金屬等）從系統(tǒng)中被分離出來。具有不同功能的分離膜（如離子交換膜、超濾膜、反滲透膜等）作為膜分離技術的核心，它在膜技術中擁有不可替代的地位。離子交換膜由于其表面帶有特定離子基團，能夠使得膜在應用過程中只允許特定離子透過（如陽離子交換膜只允許陽離子透過，而阻擋陰離子），這種對離子選擇性通過的

2、能力稱為膜的選擇透過性。也正是由于離子交換膜的這種特殊性能，才使其具有廣泛的應用價值。但是目前國內外商品離子交換膜選擇透過性僅為88％～96％左右，在分離過程中仍有部分反電荷離子發(fā)生泄露，同時膜的對惡劣環(huán)境的耐受力有限，因而膜分離技術在很多使用場合受到限制，而難以取得理想的使用效果。
　　本文在分析了前人對離子交換膜的選擇透過性機理的研究后，認為對于離子交換膜的選擇透過性機理的解釋，早期的以頓南平衡理論為主的理論存在著明顯的缺陷一

3、一它僅僅表征了在靜電場（無外界電場作用）下，離子透過離子交換膜的過程，對于電積工藝中的離子狀態(tài)則不適用。而由王三反等人提出的膜電位排斥理論能更加準確的解釋在電場作用下膜的選擇透過性機理，“膜電位排斥——孔道封閉”理論表明增大膜表面及膜孔道內的電位，同時控制膜孔徑大小，使得膜電位作用范圍大于膜孔直徑，就能夠明顯提高膜的選擇透過性，改善膜的整體性能。
　　首先，研究利用等離子體輝光放電技術將兩性物質苯磺酸甜菜堿(SBMA)單體接枝在以

4、聚苯乙烯為基體的陽離子交換膜上。考察在不同接枝單體濃度、等離子體放電時間、放電功率和放電氣體氛圍條件下，膜改性效果的差別。同時對改性前后膜進行SEM、FTIR，以及膜的氯離子泄露率、電阻等性能測試，表征膜的選擇透過性及表面結構變化。測試結果表明:在SBMA濃度為60 g/L，等離子照射強度為0.7 W/cm2，照射時間為7 min，照射氣體氛圍為氬氣的條件下，離子交換膜改性效果最佳。在最佳狀態(tài)下，原膜經過改性后含有的活性基團明顯增多，且

5、表面致密均勻整體，各方面性能得到很大提升，其中膜的氯離子攔截效率由原膜的86％提升至98％以上，膜電阻由原來的13.695Ω·cm2下降到6.547Ω· cm2。分析認為接枝改性過程提高離子交換膜的表面電位作用范圍，同時借助于SBMA的自聚作用，對膜表面的大孔進行適當?shù)姆舛?，最終實現(xiàn)對反電荷離子的阻擋，達到提高膜的選擇透過性的目的。
　　其次，針對現(xiàn)有商品膜膜面電阻較高、耐腐蝕性差等缺陷，利用聚氟高分子良好的抗氧化性和納米氧化物的

6、強導電性特點，將它們以一定的比例和濃度均勻涂覆在膜表面上，通過適當?shù)牡入x子體放電反應，使得涂覆物質牢固結合在膜表面，最終實現(xiàn)改善膜的抗氧化性，并降低膜面電阻的目的。實驗考察了涂覆材料種類、復合涂層的配比、復合涂層的濃度及等離子照射強度對改性效果的影響。結果表明:復合涂覆材料為PTFE-Ti O2，PTFE質量分數(shù)為10％, TiO2/PTFE質量之比為0.2％，放電功率為1 W.cm-2，放電時間為10 min時，改性效果最優(yōu)異。最佳條

7、件下，原膜經過表面涂覆改性后改性后表面致密均勻，膜整體性能變得更佳優(yōu)異，膜抗氧化性能測試耐破度由0.41 Mpa提高到1.56 Mpa，提升了近四倍，離子交換膜應對惡劣生產環(huán)境的能力得到極大改善，膜電阻降低了近50％，導電性能更加優(yōu)異。
　　最后，為驗證膜的改性效果，將改性膜及原膜應用在小型膜法鈷電積工藝內進行平行實驗，測定改性膜的在應用過程中的選擇透過性、能耗及穩(wěn)定性，表征改性膜的應用效果。在選擇透過性測試中，未改性前的膜安裝在

8、工藝中時氯氣產生率基本維持在14％左右，即商品陽離子交換膜的選擇透過性在86％左右。在使用改性接枝后的離子交換膜后，電積工藝的氯氣產生率為2.5％上下浮動，表示改性后的陽離子交換膜的選擇透過性達到97.5％;在電能消耗測試下，改姓后的陽離子交換膜膜應用于電積鉆工藝時的電流效率比原膜高2％左右，達到96.5％，且在電積進行15h后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在實驗維持系統(tǒng)電壓及系統(tǒng)電流相同的情況下，改性膜系統(tǒng)的單位耗能比原膜系統(tǒng)降低了100 Kw.

9、h。在穩(wěn)定性測試中，改性后的膜在連續(xù)運行288 h內，其氯離子泄漏率穩(wěn)定在10％左右;在運行時間超過288 h后，膜的氯離子泄露率隨運行時間增加不斷下降，并在運行時間為384 h時，其氯離子泄漏率重新升高到未改性前的原膜水平。而原膜在運行96h后，就發(fā)生急劇變化，運行到168 h后，膜的氯氣生成率突破20％，到電積240 h后，突破30％，膜對氯離子的阻攔效果變得極差。平行實驗表明，改性后的膜在應用過程中的效果依然穩(wěn)定可靠，可以考慮進一