一种无机阳离子杂化膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种无机阳离子杂化膜的制备方法，利用2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸(AMPS)在碱性条件下与3‑丙烯酰胺基苯硼酸反应，合成了带有磺酸基的大分子硼酸交联剂。采用溶液共混的方法，在碱性条件下控制PVA与硼酸交联剂发生交联反应，制备了一系列PVA基复合膜，通过对最佳老化温度的探索研究，综合渗析系数和分离系数两大方面的因素，最后确定老化温度110℃，对110℃热处理的膜作进一步的研究。

Preparation of an inorganic cationic hybrid membrane

The invention discloses a preparation method of an inorganic cationic hybrid membrane, and a macromolecular boric acid crosslinking agent with sulfonic group is synthesized by the reaction of 2 acrylic acid (AMPS) with 3 polyacrylamide benzyl phenyl boric acid under alkaline conditions. A series of PVA based composite films were prepared by controlling the crosslinking reaction of PVA and boric acid crosslinker under alkaline conditions. By exploring the optimum aging temperature, the factors of two aspects of the permeability coefficient and separation coefficient were synthesized, and the aging temperature was determined at 110 degrees C, and the film of heat treated at 110 C was made into the film. One step of the study.

【技术实现步骤摘要】
一种无机阳离子杂化膜的制备方法
：本专利技术涉及材料合成领域，具体地说是一种无机阳离子杂化膜的制备方法。
技术介绍
：聚乙烯醇(PVA)是德国化学家Herman于1924年发现的一种水溶性高分子聚合物。PVA具有严格的线性结构，化学性质比较稳定，分子链中含有大量的侧羟基，因而具有良好的亲水性能，同时还具有好的力学性能、耐热性、耐有机溶剂、抗有机物污染和良好的成膜性能。正是由于这些优良的性能，PVA膜已经广泛应用于扩散渗析过程，大量的学者研究PVA膜的改性，并且成功地提高了PVA膜的综合性能，如渗析系数、分离系数等。使得PVA膜成功地运用于废碱液中碱的回收，但是现在的水平仍然有待提高有机/无机杂化膜通过在有机基体中引入无机组分，可增强膜的力学性能，提高膜的热稳定性及耐溶剂性，调整亲-疏水平衡，控制膜溶胀，有利于提高渗透汽化膜的选择性和渗透性。FC中的PVA质子交换膜，经有机无机杂化改性后，可以减小甲醇渗透率，提高膜的热稳定性及质子电导率。Razavi等用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTEOS)和四乙氧基硅烷(TEOS)通过溶胶-凝胶法与PVA制备有机-无机杂化膜，分离异丙醇质量分数为90％的水溶液，30℃下，分离因子为891，渗透通量为60g/(m2·h)。AMPS的钠盐具有良好的热稳定性，其均聚物的分解温度可高达329℃。在水溶液中，水解速度慢，而在高PH值条件下，更具有优良的耐水解性能。本文通过AMPS钠盐与3-丙烯酰胺基苯硼酸聚合，生成大分子硼酸交联剂，与聚合物反应成膜，希望以AMPS钠盐的性质来增强膜的耐碱性，而以3-丙烯酰胺基苯硼酸来增强交联剂的亲水性，以此来改善膜的综合性能。综合考虑膜材料的吸水性和耐碱性等性能，最终选择聚乙烯醇(PVA)作为成膜基体。在研究时，设计了不同的老化温度和不同的交联剂用量，来探究这些因素对膜的扩散渗析性能的影响。本文利用AMPS钠盐和3-丙烯酰胺基苯硼酸对PVA膜进行了改性，成功地引入磺酸基团和硼酸基团，研究了改性PVA膜在扩散渗析模拟处理碱性废水方面的应用。论文的创新性：本文制备的改性PVA膜虽然OH-渗析系数偏低，但是膜的分离系数较高，且膜的吸水性和耐碱性较高。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种无机阳离子杂化膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：硼酸交联剂的制备：100mL三口烧瓶或者单口烧瓶，顺序加料：60mL去离子水；2.072g(0.01mol)2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，加入氢氧化钠0.4g转化成AMPS的钠盐，pH测试体系应呈弱碱性(pH8)；加入0.191g(0.001mol)3-丙烯酰胺基苯硼酸；加入过硫酸铵0.0136g；加入亚硫酸氢钠0.0045g；搅拌均匀后通氮气30min；升温至35℃，保温反应8h；用丙酮将产物沉淀并洗涤数次，密闭保存。分别称取0.2g(0.5％)、0.4g(1％)、0.8g(2％)、1.6g(4％)、2.4g(6％)、3.2g(8％)、4.0g(10％)的硼酸交联剂，加水稀释至25ml，调节pH至8。取8个小烧杯分别加入40ml5％的PVA溶液，调节pH至8，其中7个烧杯分别加入上述不同剂量的交联剂，最后一个加入25ml去离子水，快速混合后调节pH至8，然后搅拌15min，静置使气泡消失，倒于干燥玻璃板上成膜，室温下挥发溶剂。将膜分别在80℃、100℃、120℃的条件下老化，具体操作是从60℃开始升温，保持每小时升温10℃，然后在既定的老化温度下保温5h。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：(1)PVA阳离子膜的含水量在139.1％-141.4之间，IEC在0.02-1.18mmol/g之间，表明杂化膜有良好的亲水性和溶胀性能，抗碱能力较强。(2)对温度的分析，老化温度与渗析系数和分离系数有很大关系，所有UOH在0.0061-0.0186之间，而分离系数S在常温25℃下是4.88-10.27之间，而110℃下是23.04-53.18之间，效果最好。(3)对扩散渗析测试的分析，就一个温度下的数据来看，表明磺酸基团的引入，不仅可以加快OH-的传递速率，同时能有效阻碍钨酸根离子的传递。以下通过具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。具体实施方式：实施例1：一种无机阳离子杂化膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：硼酸交联剂的制备：100mL三口烧瓶或者单口烧瓶，顺序加料：60mL去离子水；2.072g(0.01mol)2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，加入氢氧化钠0.4g转化成AMPS的钠盐，pH测试体系应呈弱碱性(pH8)；加入0.191g(0.001mol)3-丙烯酰胺基苯硼酸；加入过硫酸铵0.0136g；加入亚硫酸氢钠0.0045g；搅拌均匀后通氮气30min；升温至35℃，保温反应8h；用丙酮将产物沉淀并洗涤数次，密闭保存。分别称取0.2g(0.5％)、0.4g(1％)、0.8g(2％)、1.6g(4％)、2.4g(6％)、3.2g(8％)、4.0g(10％)的硼酸交联剂，加水稀释至25ml，调节pH至8。取8个小烧杯分别加入40ml5％的PVA溶液，调节pH至8-9，其中7个烧杯分别加入上述不同剂量的交联剂，最后一个加入25ml去离子水，快速混合后调节pH至8，然后搅拌15min，静置使气泡消失，倒于干燥玻璃板上成膜，室温下挥发溶剂。将膜分别在80℃、100℃、120℃的条件下老化，具体操作是从60℃开始升温，保持每小时升温10℃，然后在既定的老化温度下保温5h。老化温度对膜的影响:老化温度对PVA膜的影响较多，主要影响膜的结晶程度、交联程度、机械性能(如拉伸强度，尺寸稳定性，断裂伸长率等)、化学稳定性(耐酸、耐碱等性能)以及扩散渗析性能等。而本文重点讨论老化温度对膜扩散渗析性能，如分离系数、渗析系数等的影响。在成膜之后老化的过程中，高温会引起膜内的交联反应的发生，使得膜内的交联程度增加，不仅影响了膜的致密性和相应的膜的机械性能，耐酸耐碱等化学稳定性，而且也改变了杂化膜的渗透速率和离子的选择透过性，所以成膜老化温度是一个非常重要的参数，直接决定了膜的性能优劣。本文做了四组不同温度下的热处理，分别是25℃、80℃、100℃、120℃。为了获得最佳的成膜条件，采用了NaOH/Na2WO4混合碱体系通过扩散渗析测试模拟杂化膜对碱性污水中NaOH的回收效能进行了研究。以下是对膜的老化温度与分离系数(S)和渗析系数(U)的研究。表1不同老化温度下各组样品膜的分离系数从表1中可以看出，100℃的老化温度下，热处理过的膜具有良好的分离系数，具有良好的选择性。120℃老化温度下热处理的膜分离系数有所下降，而100℃以下，分离系数S随着老化温度的降低而明显降低，可以确定100℃为本实验PVA杂化膜最佳老化温度。原因可以解释为老化温度提高可以使膜内交联程度提高，尤其是磺酸基团可以与PVA主链上的-OH形成交联结构，这种交联结构的增加会增加膜的致密度，因此会有效提高膜的选择性，提高膜的分离系数S。而常温(25℃)下膜的分离系数明显低于高温热处理后的膜的分离系数，所以工业上所用的膜一般都是经过高温热处理后的膜，一方面提高膜的回收碱的效率，另一方面膜的耐碱性等会有所提高，后面会加以说明。表2不同老化温度下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无机阳离子杂化膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)硼酸交联剂的制备；(2)PVA阳离子膜的制备：分别称取重量的硼酸交联剂，加水稀释至25ml，调节pH至8，取8个小烧杯分别加入40ml 5％的PVA溶液，调节pH至8，其中7个烧杯分别加入上述不同剂量的交联剂，最后一个加入25ml去离子水，快速混合后调节pH至8，然后搅拌15min，静置使气泡消失，倒于干燥玻璃板上成膜，室温下挥发溶剂。(3)PVA阳离子膜的的老化。

【技术特征摘要】
1.一种无机阳离子杂化膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)硼酸交联剂的制备；(2)PVA阳离子膜的制备：分别称取重量的硼酸交联剂，加水稀释至25ml，调节pH至8，取8个小烧杯分别加入40ml5％的PVA溶液，调节pH至8，其中7个烧杯分别加入上述不同剂量的交联剂，最后一个加入25ml去离子水，快速混合后调节pH至8，然后搅拌15min，静置使气泡消失，倒于干燥玻璃板上成膜，室温下挥发溶剂。(3)PVA阳离子膜的的老化。2.根据权利要求1所述的一种无机阳离子杂化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的制备步骤为：100mL三口烧瓶或者单口烧瓶，顺序加料：60mL去离子水；2.072g(0.01mol)2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，加入氢氧化钠0.4g转化成AMPS的钠盐，...

【专利技术属性】
技术研发人员：武全福，
申请(专利权)人：合肥华福土工合成材料有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34