一种离子交换膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种离子交换膜及其制备方法和应用，所述离子交换膜包括磷酸锆和纳米纤维素纤维。在本发明专利技术中，通过磷酸锆和纳米纤维素纤维共同使用，纳米纤维素纤维相互搭接构成三维网格状结构，磷酸锆填充在网格状结构中，构成了离子交换膜。本发明专利技术提供的离子交换膜具有优异的离子交换性能。

An ion exchange membrane and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种离子交换膜及其制备方法和应用
本专利技术属于复合膜
，涉及一种离子交换膜及其制备方法和应用。
技术介绍
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因为一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。离子交换膜具有与构成膜本体的聚合物材料连接的带负电荷或正电荷的基团，可在电势或化学势下输送阳离子或阴离子。离子交换膜用于电渗析、反向电渗析、电解、扩散透析和许多其他工艺。典型地，在诸如离子浓度梯度或可选地电位梯度的驱动力的影响下，发生离子通过膜的传输。CN102723506A公开了一种增强型钒电池用离子交换膜及其制备方法，方法如下：将制备的含有官能团的纳米碳颗粒超声分散于全氟磺酸树脂溶液中，然后通过浇铸成形的方法制备得到增强型的膜材料，该专利通过在基体膜材料中掺杂表面含有官能团的纳米级的碳材料增强膜材料的阻钒性能及离子交换率，但是由于目前的基体材料基本上不具备可降解性能，因此，不符合目前环保安全的标准。CN104018180A公开了一种零极距离子交换膜，是由全氟离子交换树脂和增强材料复合制备而成的聚合物膜，将聚合物膜转化为离子交换膜，在离子交换膜的至少一侧附着有非电极多孔气体释放层；所述的非电极多孔气体释放层由分散液附着在离子交换膜层表面后干燥而成；所述的分散液是由全氟磺酸树脂破碎微颗粒分散在磺酸树脂水醇溶液中形成。该专利提供的离子交换膜用于氯碱工业可以稳定高效地处理杂质含量较高的碱金属氯化物溶液，但是仍旧存在所用的聚合物膜不能有效降解，污染环境的问题。磷酸锆是一种具有较高离子交换性能的层状无机化合物，层与层之间靠范德华力或氢键相互连接，α-ZrP颗粒的直径大小分布可以被控制在很小的范围内，有利于其作为离子交换膜的应用。已有的磷酸锆复合材料离子交换膜大多是将磷酸锆和其它高分子进行复合，仍旧不具备可降解性能。在塑料污染和环境问题日益严重的今天，研发一款具有可降解性和环境友好性的离子交换膜是十分有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的本专利技术的目的在于提供一种离子交换膜及其制备方法和应用，本专利技术的离子交换膜具有优异的离子交换性能，并且安全环保，可降解。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种离子交换膜，所述离子交换膜包括磷酸锆和纳米纤维素纤维。在本专利技术中，通过磷酸锆和纳米纤维素纤维共同使用，纳米纤维素纤维相互搭接构成三维网格状结构，磷酸锆填充在网格状结构中，构成了离子交换膜。若单独使用纳米纤维素纤维或磷酸锆，均无法成膜进行应用。在本专利技术中，所述离子交换膜由磷酸锆和纳米纤维素纤维组成。优选地，以所述离子交换膜的总质量为100％计，所述磷酸锆的质量百分含量为20-80wt％，例如30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％等，优选30-70wt％。优选地，所述纳米纤维素纤维的直径为300nm-3μm，例如500nm、800nm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm等，长径比在15以上，例如18、20、25、30、50、90、100、200等。优选地，所述磷酸锆的直径为100nm-1.5μm，例如200nm、400nm、600nm、800nm、1μm、1.2μm、1.4μm等，厚度为100-500nm，例如200nm、300nm、400nm等。第二方面，本专利技术提供了根据第一方面所述的离子交换膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将纳米纤维素纤维分散液和磷酸锆混合，涂膜并干燥，得到所述离子交换膜。采用简单的涂膜方法即可获得本专利技术的离子交换膜，其具有优异的离子交换性能。在本专利技术中，所述混合的方法包括：先在室温下混合1-3h(例如1.5h、2h、2.5h等)后升温至70-80℃(例如72℃、75℃、78℃等)混合1-3h(例如1.5h、2h、2.5h等)。在本专利技术中，所述干燥的温度为60-70℃，例如62℃、65℃、67℃等，时间为12-15h，例如12.5h、13h、13.5h、14h、14.5h等。优选地，所述纳米纤维素纤维分散液的浓度为1-5mg/mL，例如1.5mg/mL、2mg/mL、2.5mg/mL、3mg/mL、3.5mg/mL、4mg/mL、4.5mg/mL等。第三方面，本专利技术提供了根据第一方面所述的离子交换膜在含金属离子的废水处理中的应用。本专利技术提供的离子交换膜具有可生物降解的特点，并且制备过程环保，同时磷酸锆仍然具有离子吸收性能，可以吸收废水中大部分的金属离子，达到净水的效果。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：(1)在本专利技术中，通过磷酸锆和纳米纤维素纤维共同使用，纳米纤维素纤维相互搭接构成三维网格状结构，磷酸锆填充在网格状结构中，构成了离子交换膜；若单独使用纳米纤维素纤维或磷酸锆，均无法成膜进行应用；(2)本专利技术提供的离子交换膜具有优异的离子交换性能，其中，对于铜离子的交换效率接近100％，对于阴离子的交换效率在99.92％以上，循环次数在4次以上。具体实施方式下面通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本专利技术，不应视为对本专利技术的具体限制。实施例1一种离子交换膜，由磷酸锆和纳米纤维素纤维组成。其中，磷酸锆和纳米纤维素纤维的质量比为1:1；纳米纤维素的平均直径为500nm，长径比为40-60；磷酸锆的平均直径为500nm，平均厚度为300nm。制备方法如下：(1)将0.25g纳米纤维度纤维溶于100mL水中，搅拌分散2h，形成2.5mg/mL的纳米纤维素纤维分散液；(2)在纳米纤维素纤维分散液中加入0.25g磷酸锆，搅拌2h，形成乳白色的悬浮液；将溶液70℃加热搅拌2h，制备成粘稠的涂膜液；(3)将涂膜液在玻璃板上涂膜，置于烘箱中60℃固化12h，取出后揭下，即得离子交换膜。实施例2-3与实施例1的区别在于，在本实施例中，磷酸锆和纳米纤维素纤维的质量比为2:1(实施例2)、1:2(实施例3)。实施例4一种离子交换膜，由磷酸锆和纳米纤维素纤维组成。其中，磷酸锆和纳米纤维素纤维的质量比为4:1，纳米纤维素的平均直径为1μm，长径比为20-50；磷酸锆的平均直径为1μm，平均厚度为500nm。制备方法如下：(1)将0.1g纳米纤维度纤维溶于100mL水中，搅拌分散2h，形成1mg/mL的纳米纤维素纤维分散液；(2)在纳米纤维素纤维分散液中加入0.4g磷酸锆，搅拌3h，形成乳白色的悬浮液；将溶液80℃加热搅拌1h，制备成粘稠的涂膜液；(3)将涂膜液在玻璃板上涂膜，置于烘箱中70℃固化14h，取出后揭下，即得离子交换膜。实施例5一种离子交换膜，由磷酸锆和纳米纤维素纤维组成。其中，磷酸锆和纳米纤维素纤维的质量比为1:4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子交换膜，其特征在于，所述离子交换膜包括磷酸锆和纳米纤维素纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种离子交换膜，其特征在于，所述离子交换膜包括磷酸锆和纳米纤维素纤维。


2.根据权利要求1所述的离子交换膜，其特征在于，所述离子交换膜由磷酸锆和纳米纤维素纤维组成。


3.根据权利要求1或2所述的离子交换膜，其特征在于，以所述离子交换膜的总质量为100％计，所述磷酸锆的质量百分含量为20-80wt％。


4.根据权利要求1-3中的任一项所述的离子交换膜，其特征在于，所述纳米纤维素纤维的直径为300nm-3μm，长径比在15以上。


5.根据权利要求1-4中的任一项所述的离子交换膜，其特征在于，所述磷酸锆的直径为100nm-1.5μm，厚度为100-500nm。


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【专利技术属性】
技术研发人员：孙大陟，熊天成，陈勇，李丹丹，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44