单价选择性阳离子交换膜制造技术

公开了一种单价选择性离子交换膜。该膜包括聚合物微孔基底、在基底的表面上的交联的离子转移聚合物层和共价地结合至离子转移层的带电荷的官能化层。还公开了一种生产单价选择性阳离子交换膜的方法。该方法可以包括将苯乙烯中间层化学吸附到在聚合物微孔基底的表面上的交联的离子转移聚合物层，使苯乙烯中间层氯磺化以附接磺酰氯基团层，使磺酰基基团层胺化以附接胺基团层，以及用带电荷的化合物层将胺基团层官能化以产生阳离子交换膜。还公开了包括单价选择性阳离子交换膜的水处理系统和促进水处理的方法，该方法包括提供单价选择性阳离子交换膜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单价选择性阳离子交换膜相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2018年9月27日提交的标题为“MonovalentSelectiveCationExchangeMembrane”的美国临时申请序列第62/737,373号、2018年9月25日提交的标题为“CationExchangeMembraneThroughUVInitiatedPolymerization”的美国临时申请序列第62/736,176号和2019年6月14日提交的标题为“ExchangeMembranePreparationbyUVLightPolymerization”的美国临时申请序列第62/861,608号的优先权，这些美国临时申请中的每一个为了所有目的通过引用以其整体并入本文。
本文公开的方面和实施方案总体上涉及离子交换膜，并且更具体地，涉及单价选择性离子交换膜。概述根据一个方面，提供了单价选择性离子交换膜。该单价选择性离子交换膜可以包括聚合物微孔基底。该单价选择性离子交换膜可以包括在基底的表面上的交联的离子转移聚合物层(cross-linkedion-transferringpolymericlayer)。该单价选择性离子交换膜可以包括共价地结合至交联的离子转移聚合物层的带电荷的官能化层。在一些实施方案中，膜可以具有约20μm至约155μm的总厚度。膜可以具有约25μm至约55μm的总厚度。单价选择性离子交换膜可以是阳离子交换膜。带电荷的官能化层可以是带正电荷的官能化层。在一些实施方案中，带正电荷的官能化层可以包含磺酸基团、羧酸基团、季铵基团和水解成带正电荷的铵的叔胺基团中的至少一种。单价选择性膜可以是阴离子交换膜。带电荷的官能化层可以是带负电荷的官能化层。单价选择性离子交换膜可以具有至少100％的反离子渗透选择性(counterionpermselectivity)。单价选择性离子交换膜可以在室温具有8倍至12倍的Na/Ca(ppm)的初始选择性。单价选择性膜可以具有小于约5Ω-cm2的电阻率。聚合物微孔基底可以包括高密度聚乙烯(HDPE)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)中的至少一种。根据另一个方面，提供了单价选择性阳离子交换膜载体。该单价选择性阳离子交换膜载体可以包括聚合物微孔基底。该单价选择性阳离子交换膜载体可以包括在基底的表面上的交联的离子转移聚合物层。该单价选择性阳离子交换膜载体可以包括包含胺基团的中间层，该中间层共价地结合至交联的离子转移聚合物层。在一些实施方案中，中间层可以包含伯胺基团或仲胺基团。中间层可以包括聚乙烯亚胺(PEI)。中间层可以包括具有至少600g/mol的分子量的支化PEI。中间层可以通过苯乙烯基团被共价地结合至交联的离子转移聚合物层。苯乙烯基团可以被化学地结合至氯磺化的二乙烯基苯(DVB)。根据另一个方面，提供了一种生产单价选择性阳离子交换膜的方法。该方法可以包括将苯乙烯中间层化学吸附到在聚合物微孔基底的表面上的交联的离子转移聚合物层。该方法可以包括使苯乙烯中间层氯磺化以将磺酰氯基团层附接至聚合物微孔基底的表面。该方法可以包括使磺酰基基团层胺化以将胺基团层附接至聚合物微孔基底的表面。该方法可以包括用带电荷的化合物层将胺基团层官能化以产生单价选择性阳离子交换膜。在一些实施方案中，该方法可以包括将苯乙烯DVB化学吸附到在聚合物微孔基底的表面上的交联的离子转移聚合物层。该方法可以包括用氯磺酸(ClSO3H)使苯乙烯DVB氯磺化，以将ClSO2基团附接至苯乙烯DVB。该方法可以包括用PEI使ClSO2胺化。该方法可以包括用具有至少600g/mol的分子量的支化PEI使ClSO2胺化。该方法可以包括用带正电荷的基团将胺基团层官能化。该方法可以包括用带正电荷的铵将胺基团层官能化。该方法还可以包括用包含离子生成单体(ionogenicmonomer)、多官能单体和聚合引发剂的溶液浸泡聚合物微孔基底，以产生交联的离子转移聚合物层。根据另一个方面，提供了一种水处理系统。该水处理系统可以包括待处理的水源。该水处理系统可以包括电化学分离装置，所述电化学分离装置流体地连接至待处理的水源并且包括至少一个单价选择性阳离子交换膜，该单价选择性阳离子交换膜具有共价地结合至阳离子交换膜的表面的带电荷的官能化层。该水处理系统可以包括流体地连接至电化学分离装置的经处理的水出口。在一些实施方案中，待处理的水源可以包含至少一种选自Ca2+和Mg2+的硬性离子。在一些实施方案中，带电荷的官能化层可以是带正电荷的官能化层，该带正电荷的官能化层包含磺酸基团、羧酸基团、季铵和水解成带正电荷的铵的叔胺基团中的至少一种。在一些实施方案中，带电荷的官能化层可以通过化学吸附的支化PEI层被共价地结合至阳离子交换膜的表面。根据另一个方面，提供了一种用电化学分离装置促进水处理的方法。该方法可以包括提供单价选择性阳离子交换膜，所述单价选择性阳离子交换膜具有共价地结合至阳离子交换膜的表面的带电荷的官能化层。该方法可以包括指示用户在电化学分离装置中安装单价选择性阳离子交换膜。在一些实施方案中，该方法可以包括指示用户将电化学分离装置流体地连接至待处理的水源，所述待处理的水源包含至少一种选自Ca2+和Mg2+的硬性离子。该方法可以包括提供具有聚合物微孔基底的单价选择性阳离子交换膜载体，其中胺基团层共价地结合至聚合物微孔基底的表面。该方法还可以包括指示用户用带电荷的化合物层将胺基团层官能化以产生阳离子交换膜。根据又一个方面，提供了单价选择性阳离子交换膜。该阳离子交换膜可以包括聚合物微孔基底和共价地结合至聚合物微孔基底的表面的带正电荷的官能化层。该单价选择性阳离子交换膜可以在室温具有8倍至12倍的Na/Ca(ppm)的初始选择性。该单价选择性阳离子交换膜可以在室温在0.5MNaCl中400天之后具有4倍至8倍的Na/Ca(ppm)的选择性。该单价选择性阳离子交换膜可以在80℃具有10倍至40倍的Na/Ca(摩尔)的初始选择性。该单价选择性阳离子交换膜可以在80℃在0.5MNaCl中30天之后具有3倍至6倍的Na/Ca(摩尔)的选择性。本公开内容预期前述方面和/或实施方案中的任一种或更多种的所有组合，以及与在详细描述和任何实施例中阐述的实施方案中的任一种或更多种的组合。附图简述附图并不意图是按比例绘制。在附图中，在各个图中图示出的每个相同的部件或近似相同的部件由类似的数字表示。为了清楚的目的，并非每个部件都可以在每个附图中被标记。在附图中：图1是聚乙烯亚胺(PEI)分子的化学结构的表示，示出了伯胺基团(-NH2)、仲胺基团(-NH-)和叔胺基团；图2是根据一种实施方案，通过PEI的伯胺或仲胺和阳离子交换膜表面的磺酸基团之间的物理吸附形成离子键的表示；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单价选择性离子交换膜，包括：/n聚合物微孔基底；/n在所述基底的表面上的交联的离子转移聚合物层；和/n共价地结合至所述交联的离子转移聚合物层的带电荷的官能化层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180925 US 62/736,176;20180927 US 62/737,373;20191.一种单价选择性离子交换膜，包括：
聚合物微孔基底；
在所述基底的表面上的交联的离子转移聚合物层；和
共价地结合至所述交联的离子转移聚合物层的带电荷的官能化层。


2.根据权利要求1所述的单价选择性离子交换膜，其中所述膜具有约20μm至约155μm的总厚度。


3.根据权利要求2所述的单价选择性离子交换膜，其中所述膜具有约25μm至约55μm的总厚度。


4.根据权利要求1所述的单价选择性离子交换膜，所述单价选择性离子交换膜为阳离子交换膜，其中所述带电荷的官能化层是带正电荷的官能化层。


5.根据权利要求4所述的单价选择性离子交换膜，其中所述带正电荷的官能化层包含磺酸基团、羧酸基团、季铵基团和水解成带正电荷的铵的叔胺基团中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的单价选择性离子交换膜，所述单价选择性离子交换膜为阴离子交换膜，其中所述带电荷的官能化层是带负电荷的官能化层。


7.根据权利要求1所述的单价选择性离子交换膜，具有至少100％的反离子渗透选择性。


8.根据权利要求1所述的单价选择性离子交换膜，在室温具有8倍至12倍的Na/Ca(ppm)的初始选择性。


9.根据权利要求1所述的单价选择性离子交换膜，具有小于约5Ω-cm2的电阻率。


10.根据权利要求1所述的单价选择性离子交换膜，其中所述聚合物微孔基底包括高密度聚乙烯(HDPE)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)中的至少一种。


11.一种单价选择性阳离子交换膜载体，包括：
聚合物微孔基底；
在所述基底的表面上的交联的离子转移聚合物层；和
包含胺基团的中间层，所述中间层共价地结合至所述交联的离子转移聚合物层。


12.根据权利要求11所述的单价选择性阳离子交换膜载体，其中所述中间层包含伯胺基团或仲胺基团。


13.根据权利要求11所述的单价选择性阳离子交换膜载体，其中所述中间层包括聚乙烯亚胺(PEI)。


14.根据权利要求11所述的单价选择性阳离子交换膜载体，其中所述中间层包括具有至少600g/mol的分子量的支化PEI。


15.根据权利要求11所述的单价选择性阳离子交换膜载体，其中所述中间层通过苯乙烯基团被共价地结合至所述交联的离子转移聚合物层。


16.根据权利要求15所述的单价选择性阳离子交换膜载体，其中所述苯乙烯基团被化学地结合至氯磺化的二乙烯基苯(DVB)。


17.一种生产单价选择性阳离子交换膜的方法，包括：
将苯乙烯中间层化学吸附到在聚合物微孔基底的表面上的交联的离子转移聚合物层；
使所述苯乙烯中间层氯磺化以将磺酰氯基团层附接至所述聚合物微孔基底的表面；
使磺酰基基团层胺化以将胺基团层附接至所述聚合物微孔基底的表面；和
用带电荷的化合物层将所述胺基团层官能化以产生所述单价选择性阳离子交换膜。


18.根据权利要求17所述的方法，包括将苯乙烯DVB化学吸附到在聚合物微孔基底的表面上的所述交联的...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治·顾，萨瓦斯·哈德吉基里亚库，西蒙·P·杜克斯，迈克尔·J·肖，
申请(专利权)人：懿华水处理技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US