一种单片型双极膜添加催化层的制备方法及其应用与流程

本发明属于双极膜，具体涉及一种单片型双极膜添加催化层的制备方法及其应用。

背景技术：

1、双极膜(全称为双极性离子交换膜)通常由阳离子交换膜层(简称为阳膜)、阴离子交换膜层(简称为阴膜)和中间过渡区(也可称为催化层)复合组成。当双极膜反向施加电压时(即阴膜面向正极，阳膜面向负极)，带电离子就会在直流电场的作用下从中间过渡区向主体溶液迁移；在膜内原有的盐离子快速迁移出来之后，催化层开始催化水分子发生离解而持续地产生氢离子和氢氧根离子，所消耗的水分子则通过周围溶液中的水向中间过渡区不间断地渗透而得到及时的补充。其结果是，与不用双极膜的直接水解方式相比，双极膜电渗析器仅仅消耗相对少量的电量，即可源源不断地产生出来酸(氢离子)和碱(氢氧根离子)，成为由盐制造酸碱的“工厂”。

2、双极膜的生产方法，目前有五种：两层热压成型法、两层粘合成型法、(一层在另一层上)流延成型法、(两层分别)单独功能化法、(一层在另一层上)电沉积成型法。其中，热压法和粘合法得到的双极膜两层容易在使用过程中脱开，双层型或者双层夹催化层型的双极膜，层与层之间界面粘结力不足，受到两侧应力差影响容易发生开裂、起泡等现象，严重影响使用寿命。

3、为克服上述缺陷，现有采用含有聚苯乙烯的复合基膜，再分别在一面用浓硫酸磺化形成阳膜、在另一面实施氯甲基化和胺化反应来形成阴膜，得到双极膜，该双极膜的阴膜和阳膜因其基于同一张基膜形成，即为单片型双极膜，结合非常牢靠，不易撕裂，使用寿命可以更长，但由于没有催化层会导致膜的跨膜电压较高，电解分解水的效率较低。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术制备的单片型双极膜的跨膜电压较高，电解分解水的效率较低的缺陷，从而提供一种单片型双极膜添加催化层的制备方法及其应用。

2、本发明提供一种单片型双极膜添加催化层的制备方法，包括以下步骤：

3、在单片型双极膜的阳膜侧添加含有目标催化层阳离子溶液、阴膜侧添加含有目标催化层阴离子溶液，静置或施加电压，得到添加催化层的单片型双极膜。

4、本发明的单片型双极膜为常规的单片型双极膜，可通过市售获得或通过常规方法制备得到，本发明对单片型双极膜的具体材料不做具体的限定，典型非限定的，单片型双极膜的制备方法包括如下步骤：以经过接枝聚苯乙烯的聚四氟乙烯薄膜作为基膜，将基膜经一侧磺化，将基膜另一侧氯甲基化、胺化形成的单片型双极膜。

5、可选的，单片型双极膜的制备方法包括如下步骤：以经过接枝聚苯乙烯的聚四氟乙烯薄膜的作为基膜，在基膜一侧表面添加含有硫酸和硫酸银的溶液磺化，水洗，干燥形成阳膜；将基膜另一侧表面使用氯甲醚在四氯化锡的催化下，完成氯甲基化，甲缩醛或水清洗，晾干，再浸入三甲胺溶液中胺化，胺化后水洗，使用酸洗，水洗，干燥，形成阴膜，得到所述单片型双极膜。

6、可选的，所述基膜的厚度为30-200μm；所述含有硫酸和硫酸银的溶液中的硫酸的质量浓度为80-95％，含有硫酸和硫酸银的溶液中的硫酸银的质量浓度为1-5％；所述磺化温度为60-80℃，所述磺化时间为1-4h；所述磺化结束后还包括自然降至室温；所述氯甲基化温度为50-60℃，所述氯甲基化时间为1-20h；所述三甲胺溶液的质量浓度为25-35wt％；所述胺化温度为50-60℃，所述胺化时间为6-12h；所述酸洗溶剂为0.5-1mol/l盐酸，所述酸洗时间为1-2h。

7、可选的，接枝聚苯乙烯的聚四氟乙烯薄膜的制备过程包括如下步骤：将厚度为30-200微米的聚四氟乙烯薄膜在氮气保护下，用60coγ-射线在20-40℃下进行辐照，得到辐照薄膜；将辐照薄膜浸泡在包含苯乙烯、二乙烯苯的二氯乙烷溶液中在50-70℃下保温3-6h进行反应，反应完成后用乙醇清洗、干燥，经过清洗，得到接枝聚苯乙烯的聚四氟乙烯薄膜；

8、其中，吸收剂量为100-500kgy；含苯乙烯、二乙烯苯的二氯乙烷溶液中苯乙烯的浓度为30-50wt％，含苯乙烯、二乙烯苯的二氯乙烷溶液中二乙烯苯的浓度为1-10wt％。

9、优选的，目标催化层的活性成分包括氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化银、氢氧化镧、氯化银、氢氧化钛中的至少一种。

10、优选的，所述含有目标催化层阳离子溶液中目标催化层阳离子的摩尔浓度为0.01-2mol/l。

11、优选的，所述含有目标催化层阴离子溶液中目标催化层阴离子的摩尔浓度为0.01-10mol/l。

12、优选的，所述目标催化层阳离子溶液选自氯化铁溶液、硫酸铝溶液、氯化铝溶液、硝酸银溶液、硝酸镧溶液中的至少一种；

13、所述目标催化层阴离子溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氯化钠溶液中的至少一种。

14、可选的，在单片型双极膜的阳膜侧添加含有目标催化层阳离子溶液、阴膜侧添加含有目标催化层阴离子溶液，静置0.5-5天，得到添加催化层的单片型双极膜。

15、可选的，静置结束后还包括水洗和/或干燥的步骤。

16、优选的，在单片型双极膜的阳膜侧添加含有目标催化层阳离子溶液、阴膜侧添加含有目标催化层阴离子溶液，含有目标催化层阳离子溶液与外设的负极接触，含有目标催化层阴离子溶液与外设的正极接触，通过正极和负极施加电压，得到添加催化层的单片型双极膜；

17、可选的，施加电压结束后还包括水洗和/或干燥的步骤。

18、本发明通过施加电压形成电场作用使阳膜侧溶液中阳离子与阴膜侧溶液中阴离子在阴膜阳膜界面处相遇沉积生成目标催化层。

19、优选的，所述施加电压范围为0.1-10v，施加电压时间为0.1-10h。

20、本发明提供一种添加催化层的单片型双极膜，由上述所述的单片型双极膜添加催化层的制备方法制备得到。

21、本发明还提供一种上述所述的添加催化层的单片型双极膜在电渗析中的应用。

22、本发明技术方案，具有如下优点：

23、1、本发明提供的单片型双极膜添加催化层的制备方法，包括以下步骤：在单片型双极膜的阳膜侧添加含有目标催化层阳离子溶液、阴膜侧添加含有目标催化层阴离子溶液，静置或施加电压，得到添加催化层的单片型双极膜。本发明的制备方法中，在静置时或通过施加电压形成的电场作用下，阳膜侧溶液中阳离子穿过阳膜，阴膜侧溶液中阴离子穿过阴膜，在阴膜阳膜界面处相遇沉积，生成目标催化层，实现了在单片型双极膜中添加催化层的目的，由于生成的是无机物沉淀做催化层，相较于有机物催化层具有更快，更好的催化效果。本发明的单片型双极膜具备不易撕裂、寿命长的同时具备跨模电压低、电解效率高的优点。

24、2、本发明提供的单片型双极膜添加催化层的制备方法，目标催化层的活性成分包括氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化银、氢氧化镧、氯化银、氢氧化钛中的至少一种。本发明选用特定的无机物沉淀催化层，具有更好的催化效果；当催化层为金属阳离子的氢氧化物沉淀时，通过脱水或在双极膜的长期存放过程中，氢氧化物沉淀会部分或全部形成更稳定的金属氧化物，使催化层长期使用不易流失，可进一步延长双极膜使用寿命。