用于微生物电化学系统的聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法技术方案

用于微生物电化学系统的聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法，涉及离子交换膜及其制备并应用方法，本发明专利技术将聚芳醚进行卤甲基化改性，得到卤甲基化程度为10~200%的卤甲基化聚芳醚，将卤甲基化聚芳醚与含氮有机小分子进行胺化反应，引入阴离子交换基团，制备聚芳醚阴离子交换膜，并将其应用于微生物电化学系统。所制备的聚芳醚阴离子交换膜具有高的离子传导性和优异的抗微生物侵蚀能力，在微生物燃料电池及微生物电解池等微生物电化学系统中具有很好应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种离子交换膜及其制备并应用方法，特别是涉及一种用于微生物电化学系统的聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法。
技术介绍
微生物电化学系统是利用电化学活性细菌作为催化剂来催化电极表面电化学反应的体系，根据其电能是净输入还是输出系统，可将其划分为微生物燃料电池和微生物电解池两大类。微生物电化学系统的阳极可处理有机物废水，如市政废水、食品加工和酿酒废水、造纸废水、养殖业废水等，降解废水中的有机物而产电，阴极可以实现对某些污染物的还原去除，如某些重金属废水，如含高价铬、铜等重金属离子进行还原沉淀，实现对这些有害重金属的高效去除。因此微生物电化学系统在水资源保护和环境污染治理方面具有十分重要的应用前景。双室型微生物电化学系统是常见的微生物电化学系统构造，隔膜用于分隔阴极室和阳极室，阻隔两室中的活性物质相互渗透，同时传导离子形成电流回路。以常见的双室型微生物燃料电池为例，隔膜分隔阳极室和阴极室，防止阴极室的氧气向厌氧环境的阳极室扩散，同时防止阳极室的用于培养微生物的有机物向阴极室扩散，降低电池的电流效率。因此隔膜性能对微生物电化学系统的性能影响很大。阳离子交换膜、阴离子交换膜、超滤膜等均可用于微生物电化学系统，目前商品膜主要有全氟磺酸膜如Nafion膜，具有很好的稳定性和电化学性能，但其价格昂贵，氧气渗透速率高，有机底物容易渗透。以磺化苯乙烯/二乙烯苯共聚物为基材的CMI-7000膜，价格较便宜，但是其在耐微生物侵蚀方面存在较大的问题，容易被微生物污染，降低其使用寿命。目前尚无以微生物电化学系统为应用目的的商品膜。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于微生物电化学系统的聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法，将荷正电的阴离子交换基团引入聚芳醚分子结构中，制备的聚芳醚阴离子交换膜具有优良抗微生物污染和抗侵蚀能力，稳定性高、优异的机械强度和离子传导性能，在微生物电化学系统中具有重要的应用前景。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：聚芳醚阴离子交换膜，所述膜的聚合物分子链含有如下结构：。聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：聚芳醚溶解于溶剂中，加入卤甲基烷基醚和催化剂，搅拌下进行反应；反应结束后，将反应物倒入沉淀剂中，分离、洗涤、干燥，得到卤甲基化聚芳醚；卤甲基化聚芳醚的结构简式如下：；将卤甲基化聚芳醚溶解于溶剂中配制成溶液，铸膜，将溶剂完全蒸发或部分蒸发后浸入沉淀剂中，得到卤甲基化聚芳醚基膜，烘膜温度为10~150oC，烘膜时间为0~48小时；将卤甲基化聚芳醚基膜浸泡于含氮有机小分子的溶液中进行胺化处理，得到聚芳醚阴离子交换膜；胺化处理温度为0~90oC，时间为0~96小时；聚芳醚阴离子交换膜或通过先胺化后制膜的方法实现：将卤甲基化聚芳醚溶解于溶剂中配制成溶液，加入含氮有机小分子进行胺化反应，反应温度为0~90oC，反应时间为0~96小时；胺化反应后的溶液铸膜，将溶剂完全蒸发或部分蒸发后浸入沉淀剂中，得到聚芳醚阴离子交换膜，烘膜温度为10~150oC，烘膜时间为0~48小时；聚芳醚阴离子交换膜的结构简式如下：。所述聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述聚芳醚的卤甲基化改性用卤甲基烷基醚为氯甲基甲醚、氯甲基乙醚、氯甲基丁醚、氯甲基辛醚、溴甲基甲醚、溴甲基乙醚、、溴甲基丁醚、溴甲基辛醚。所述聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述聚芳醚的卤甲基化改性所用的催化剂为无水氯化锌、无水氯化铁、无水氯化铝、无水溴化锌、无水溴化铁、无水溴化铝、金属锌粉、金属铁粉、金属铝粉、无水四氯化锡、浓硫酸、磷酸、氯铝酸离子液体或三氟甲基磺酸。所述的聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述聚芳醚的卤甲基化改性所用溶剂为氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烷、硝基苯、氯苯或浓硫酸；所用沉淀剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、四氢呋喃、丙酮、丁酮、乙酸乙酯中的一种或两种以上的混合溶剂；聚芳醚的卤甲基化改性的反应温度为-10oC-120oC，反应时间为1-72小时。所述的聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述以氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烷、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮或上述溶剂的混合溶液为配制铸膜液的溶剂制备卤甲基化聚芳醚基膜；制备卤甲基化聚芳醚基膜的烘膜温度为30oC-150oC，时间0-48h。所述的聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，所述卤甲基化聚芳醚的胺化反应所采用的含氮有机小分子是三甲胺、三乙胺、三乙醇胺、三正丙胺、三正丁胺、吡啶、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑中的一种或两种以上的混合物；胺化反应温度为0oC-90oC，时间为0-96小时。聚芳醚阴离子交换膜的应用方法，所述聚芳醚阴离子交换膜的应用为聚芳醚阴离子交换膜在微生物电化学系统中的应用，聚芳醚阴离子交换膜置于阳极室和阴极室之间，分隔阳极室和阴极室，传导离子形成电流回路；其中，聚芳醚阴离子交换膜在两室型微生物燃料电池中的应用，阳极产电微生物为厌氧菌，阴极室为电解质或好氧菌或其他可被电子还原的化合物溶液，聚芳醚阴离子交换膜置于阳极室和阴极室之间，分隔阳极室和阴极室，并且传导离子形成电流回路，实现微生物燃料电池的产电。本专利技术的优点与效果是：聚芳醚类材料具有优异的化学稳定性和高的机械强度。将荷正电的阴离子交换基团引入聚芳醚分子结构中，制备的聚芳醚阴离子交换膜具有优良抗微生物污染和抗侵蚀能力，稳定性高、优异的机械强度和离子传导性能，在微生物电化学系统中具有重要的应用前景。附图说明图1为本专利技术聚芳醚阴离子交换膜应用于微生物燃料电池系统的产电性能，与商业化全氟磺酸膜Nafion115对比图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1将5g聚芳醚砜溶解于50mL四氯乙烷中，升温至35oC，加入1mL四氯化锡，然后再加入5mL氯甲基乙醚，反应8小时后，将反应溶液倒入乙醇中，析出的聚合物用大量乙醇清洗，然后在真空烘箱中70oC干燥，得到氯甲基含量为2.5mmol/g的氯甲基化聚芳醚砜。将干燥的氯甲基化聚芳醚砜溶于N-甲基吡咯烷酮中，配制成聚合物质量百分含量为10%的铸膜液。过滤后，将铸膜液倒在洁净的水平玻璃板上，刮制成膜，在60oC，挥发溶剂，得到厚度为50微米的基膜，然后浸泡于水中进一步除去溶剂。将基膜放于33%的三甲胺水溶液中，50oC下胺化48小时，然后将膜转移到5%稀盐酸中，浸泡2小时，再用去离子水清洗得到阴离子交换膜。该阴离子交换膜的离子交换容量为2.2mmol/g。实施例2将5g聚芳醚砜溶解于50mL四氯乙烷中，升温至50oC，加入2mL无水四氯化锡，然后再加入5mL氯甲基乙醚，反应10小时后，将反应溶液倒入乙醇中，析出的聚合物用大量乙醇清洗，然后在真空烘箱中70oC干燥，得到氯甲基含量为2.3mmol/g的氯甲基化聚芳醚砜。将干燥的氯甲基化聚芳醚砜溶于N-甲基吡咯烷酮中，配制成聚合物质量百分含量为10%的铸膜液。过滤后，将铸膜液在洁净的水平玻璃板上，刮制成膜，在60oC，挥发溶剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
聚芳醚阴离子交换膜，其特征在于，所述膜的聚合物分子链含有如下结构：。

【技术特征摘要】
1.聚芳醚阴离子交换膜，其特征在于，所述膜的聚合物分子链含有如下结构：
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2.聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：聚芳醚溶解于溶剂中，加入卤甲基烷基醚和催化剂，搅拌下进行反应；反应结束后，将反应物倒入沉淀剂中，分离、洗涤、干燥，得到卤甲基化聚芳醚；卤甲基化聚芳醚的结构简式如下：
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将卤甲基化聚芳醚溶解于溶剂中配制成溶液，铸膜，将溶剂完全蒸发或部分蒸发后浸入沉淀剂中，得到卤甲基化聚芳醚基膜，烘膜温度为10~150oC，烘膜时间为0~48小时；将卤甲基化聚芳醚基膜浸泡于含氮有机小分子的溶液中进行胺化处理，得到聚芳醚阴离子交换膜；胺化处理温度为0~90oC，时间为0~96小时；
聚芳醚阴离子交换膜或通过先胺化后制膜的方法实现：将卤甲基化聚芳醚溶解于溶剂中配制成溶液，加入含氮有机小分子进行胺化反应，反应温度为0~90oC，反应时间为0~96小时；胺化反应后的溶液铸膜，将溶剂完全蒸发或部分蒸发后浸入沉淀剂中，得到聚芳醚阴离子交换膜，烘膜温度为10~150oC，烘膜时间为0~48小时；
聚芳醚阴离子交换膜的结构简式如下：
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3.根据权利要求2所述聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述聚芳醚的卤甲基化改性用卤甲基烷基醚为氯甲基甲醚、氯甲基乙醚、氯甲基丁醚、氯甲基辛醚、溴甲基甲醚、溴甲基乙醚、、溴甲基丁醚、溴甲基辛醚。
4.根据权利要求2所述聚芳醚阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述聚芳醚的卤甲基化改性所用的催化剂为无水氯化锌、无水氯化铁、无水氯化铝、无水溴化锌、无水溴化铁、无水溴化铝、金属锌粉、金属铁粉、金属铝粉、无水四氯化锡、浓硫酸、磷酸、氯铝酸离...

【专利技术属性】
技术研发人员：张本贵，吴凡，孙胜美，马成杰，聂鑫，
申请(专利权)人：沈阳化工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21