具有质子交换功能的复合正渗透膜及其制备方法与用途技术

本发明专利技术提供一种具有质子交换功能的复合正渗透膜及其制备方法与用途，该制备方法包括如下步骤：1)支撑层的制备：将聚合物溶于有机溶剂中，配制成铸膜液，采用相转化技术制得支撑层，备用；2)采用界面聚合技术，在步骤1)制得的支撑层表面制备脱盐皮层，从而制得所述具有质子交换功能的复合正渗透膜；其中，步骤1)的支撑层、步骤2)的脱盐皮层中的至少一层具有质子交换功能。本发明专利技术制得的复合正渗透膜具有质子交换功能，其离子交换容量和电导率优异，将其应用于渗透微生物燃料电池后，产电量、产水量及有机废水降解效率均得到有效提升。

Composite positive permeable membrane with proton exchange function and its preparation methods and Applications

The present invention provides a compound having a proton exchange function of the forward osmosis membrane and its preparation method and use the preparation method comprises the following steps: 1) support layer preparation: the polymer dissolved in an organic solvent, preparation of casting solution, prepared by the phase inversion technique support layer, standby; 2) by an interfacial polymerization process in step 1) prepared for the surface of the support layer prepared by desalting the cortex, so as to prepare the compound having a proton exchange function of forward osmosis membrane; wherein, step 1) of the support layer, step 2) at least one layer of salt in the cortex with proton exchange function. The composite forward osmosis membrane prepared by the invention has the function of proton exchange, and its ion exchange capacity and conductivity are excellent. When applied to the osmotic microbial fuel cell, the production capacity, water yield and the degradation efficiency of organic wastewater are effectively promoted.

【技术实现步骤摘要】
具有质子交换功能的复合正渗透膜及其制备方法与用途
本专利技术涉及膜
，特别是涉及一种具有质子交换功能的复合正渗透膜及其制备方法与用途。
技术介绍
微生物燃料电池(MicrobialFuelCells,MFCs)以微生物为催化剂，将生活污水、工业及其他类型废水中有机物蕴含的化学能直接转化为电能，使废水资源化，具有高效、清洁、环保等优点。传统的MFCs由阳极室、阴极室及质子交换膜组成。MFCs的功能主要集中在降解废水有机物并将有机物中蕴含的化学能转化为生物电能，但从废水中回收的纯净水却非常有限。近几年，正渗透(ForwardOsmosis，FO)作为水纯化和淡化新技术，引起了研究者的广泛关注。该技术利用半透膜两侧溶液的渗透压差将水分子从低渗透压侧(原料液)汲取到高渗透压侧(汲取液)，然后将稀释的汲取液进行浓缩分离得到纯净水，具有低能耗、低污染、高截留率及高水回收率等优势。然而，现有的FO技术只能从原料液(废水)中回收纯净水，却不能有效利用废水中蕴含的能量。将FO技术融合到MFCs，形成渗透微生物燃料电池(OsmoticMicrobialFuelCells,OsMFCs)。这一新型协同系统集合了MFCs与FO技术的优势，可同时实现集干净水提取、废水处理、生物能生产于一体的功能。近年来，基于OsMFCs明显的技术优势，成为国际研究热点，比如美国的ZhenHe[BoZhang,ZhenHe,Improvingwaterdesalinationbyhydraulicallycouplinganosmoticmicrobialfuelcellwithamicrobialdesalinationcell,JournalofMembraneScience,2013，(441):18–24.]，韩国的Mi-YoungLee[Mi-Y.Lee,Kyoung-Y.Kim,EuntaeYang,InS.Kim,Evaluationofhydrogenproductionandinternalresistanceinforwardosmosismembraneintegratedmicrobialelectrolysiscells,BioresourceTechnology,2015,(187):106–112.]等研究团队将美国HTI公司商业化的三醋酸纤维素FO膜用于OsMFCs阴阳两极分隔材料，研究发现其废水降解效率、产电性能及产水量均优于MFCs。但是商业化醋酸纤维素FO膜水通量较低，衰减较快，而且pH使用范围较窄，限制了OsMFCs规模化应用。鉴于聚酰胺复合FO膜在较宽的pH范围内仍具有化学稳定性，国内的Xian-ZhengZhu等研究人员将美国HTI公司商业化的平板聚酰胺复合FO膜用于OsMFCs，发现污染膜可以提高产电量并阐明了内在机制[Xian-Z.Zhu，FengZhang，Wen-W.Lietal.,Insightsintoenhancedcurrentgenerationofanosmoticmicrobialfuelcellundermembranefoulingcondition，JournalofMembraneScience,2016,(504):40–46.]。质子传输效率在OsMFCs中起着至关重要的作用。若质子传输效率低下，会造成阴极液pH升高过快，引起pH值严重分裂和电压损失问题。然而，目前研究者无论将商业化醋酸纤维素FO膜还是聚酰胺复合FO膜应用于OsMFCs，质子传输效率均不理想。因为这些普通FO膜只具渗透功能，对质子没有特异选择性，只能在渗透压差的作用下随水分子从阳极室迁移到阴极室，而且随着阴阳两极室渗透压差减小，质子传输效率逐渐下降。目前FO膜对质子的传输效率远没有达到极限，仍有很大提升空间。市场急需开发一种对质子具有交换传输功能的特种FO膜，以期提高OsMFCs产水产电去污效果，实现OsMFCs的最大效能。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种具有质子交换功能的复合正渗透膜及其制备方法与用途，用于解决现有技术中FO膜对质子没有特异选择性、传输效率低等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种具有质子交换功能的复合正渗透膜的制备方法，包括如下步骤：1)支撑层的制备：将聚合物溶于有机溶剂中，配制成铸膜液，采用相转化技术制得支撑层，备用；2)采用界面聚合技术，在步骤1)制得的支撑层表面制备脱盐皮层，从而制得所述具有质子交换功能的复合正渗透膜；其中，所述步骤1)的支撑层、所述步骤2)的脱盐皮层中的至少一层具有质子交换功能，即是说，当所述步骤1)选用的聚合物具有质子交换功能时，所述步骤2)的脱盐皮层可以具有质子交换功能，也可以不具有质子交换功能；当所述步骤1)选用的聚合物不具有质子交换功能时，所述步骤2)的脱盐皮层应当具有质子交换功能。在本专利技术的一些实施例中，步骤1)中，所述聚合物选自聚砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化聚硫醚砜、无机纳米颗粒掺杂磺化聚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚芳醚砜、磺化聚芳醚醚砜、磺化聚芳醚酮砜、磺化聚芳醚酮酮砜、磺化聚硫醚酮砜、磺化聚硫醚酮酮砜、磷钨酸掺杂磺化聚芳醚酮砜、硅钨酸掺杂磺化聚芳醚酮砜、磷钨酸掺杂磺化聚芳醚酮酮砜、硅钨酸掺杂磺化聚芳醚酮酮砜、磺化聚醚酮、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚酮酮、磺化聚醚酮醚酮酮、磺化聚醚醚酮酮、磺化聚醚醚酮/聚偏氟乙烯复合物、磺化聚醚醚酮/聚乙烯吡咯烷酮复合物、磺化杂萘联苯聚芳醚、磺化杂萘联苯聚醚酮酮、磺化聚噻唑醚酮、磺化聚芳醚酮、磺化聚芳醚醚酮、磺化聚磷腈、磺化聚噻唑醚酮、磺化-嵌段聚芳醚、磺化聚苯乙烯、磺化聚亚芳基醚砜、磺化聚苯、磺化聚苯醚、磺化杂萘联苯聚醚酮酮、磺化聚苯并咪唑、磺化聚苯并噻唑、磺化聚苯并咪噻唑、磷酸掺杂聚苯并咪唑、碱掺杂聚苯并咪唑、杂多酸掺杂聚苯并咪唑、磺化聚苯并噁嗪、磺化聚苯并唑嗪、聚全氟磺酸、聚偏氟磺酸、磺化聚酰胺、磺化聚酰亚胺、全氟磺酸、含咪唑基磺化聚酰亚胺、聚苯乙烯磺酸钠-g-聚砜中的至少一种。聚苯乙烯磺酸钠-g-聚砜中，“-g-”是接枝的意思，聚苯乙烯磺酸钠-g-聚砜即聚苯乙烯磺酸钠接枝聚砜。在本专利技术的一些实施例中，步骤1)中，所述聚合物为聚苯乙烯磺酸钠-g-聚砜时，采用悬浮聚合法，反应底物在固液界面聚合。在本专利技术的一些实施例中，步骤1)中，铸膜液的质量浓度为5wt％-30wt％。该质量浓度是指聚合物在铸膜液中的总浓度，即是说，当有多种聚合物混合时，上述浓度是指所有聚合物在铸膜液中的总浓度。在本专利技术的一些实施例中，步骤1)中，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、间甲酚、三氯甲烷中的至少一种。在本专利技术的一些实施例中，步骤2)中，将水相单体溶于水，制得水相溶液，将油相单体溶于烷烃，制得油相溶液，然后将步骤1)制得的支撑层浸泡于水相溶液，将经水相溶液浸泡后的支撑层浸泡于油相溶液，支撑层表面发生界面聚合反应，生成脱盐皮层，制得初生态的复合正渗透膜，烘干，制得所述具有质子交换功能的复合正渗透膜；其中，所述步骤1)的支撑层、所述步骤2)的水相单体中的至少一种具有质子交换功能，即是说，聚合物的选择决定后续支撑层是否具有质子交换功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有质子交换功能的复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)支撑层的制备：将聚合物溶于有机溶剂中，配制成铸膜液，采用相转化技术制得支撑层，备用；2)采用界面聚合技术，在步骤1)制得的支撑层表面制备脱盐皮层，制得所述具有质子交换功能的复合正渗透膜；其中，所述步骤1)的支撑层、所述步骤2)的脱盐皮层中的至少一层具有质子交换功能。

【技术特征摘要】
1.一种具有质子交换功能的复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)支撑层的制备：将聚合物溶于有机溶剂中，配制成铸膜液，采用相转化技术制得支撑层，备用；2)采用界面聚合技术，在步骤1)制得的支撑层表面制备脱盐皮层，制得所述具有质子交换功能的复合正渗透膜；其中，所述步骤1)的支撑层、所述步骤2)的脱盐皮层中的至少一层具有质子交换功能。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述聚合物选自聚砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化聚硫醚砜、无机纳米颗粒掺杂磺化聚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚芳醚砜、磺化聚芳醚醚砜、磺化聚芳醚酮砜、磺化聚芳醚酮酮砜、磺化聚硫醚酮砜、磺化聚硫醚酮酮砜、磷钨酸掺杂磺化聚芳醚酮砜、硅钨酸掺杂磺化聚芳醚酮砜、磷钨酸掺杂磺化聚芳醚酮酮砜、硅钨酸掺杂磺化聚芳醚酮酮砜、磺化聚醚酮、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚酮酮、磺化聚醚酮醚酮酮、磺化聚醚醚酮酮、磺化聚醚醚酮/聚偏氟乙烯复合物、磺化聚醚醚酮/聚乙烯吡咯烷酮复合物、磺化杂萘联苯聚芳醚、磺化杂萘联苯聚醚酮酮、磺化聚噻唑醚酮、磺化聚芳醚酮、磺化聚芳醚醚酮、磺化聚磷腈、磺化聚噻唑醚酮、磺化-嵌段聚芳醚、磺化聚苯乙烯、磺化聚亚芳基醚砜、磺化聚苯、磺化聚苯醚、磺化杂萘联苯聚醚酮酮、磺化聚苯并咪唑、磺化聚苯并噻唑、磺化聚苯并咪噻唑、磷酸掺杂聚苯并咪唑、碱掺杂聚苯并咪唑、杂多酸掺杂聚苯并咪唑、磺化聚苯并噁嗪、磺化聚苯并唑嗪、聚全氟磺酸、聚偏氟磺酸、磺化聚酰胺、磺化聚酰亚胺、全氟磺酸、含咪唑基磺化聚酰亚胺、聚苯乙烯磺酸钠-g-聚砜中的至少一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述铸膜液的质量浓度为5wt％-30wt％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N-...

【专利技术属性】
技术研发人员：田恩玲，任以伟，王兴祖，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆,50