具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：一、浸泡基材使其溶胀；二、固定溶胀后的基材并将其表面铺展平整；三、将涂覆液1浸没基材对其进行表面处理；四、移除涂覆液1并吹干膜表面至洁净干燥；五、将涂覆液2浸没基材对其进行表面处理；六、移除涂覆液2并吹干膜表面至洁净干燥；七、将六干燥后的膜置于烘箱中进行热处理，得到具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜。本发明专利技术在带有磺酸基团的阳离子交换膜表面利用界面反应构建带有正电荷的表面选择层，实现了对Na

【技术实现步骤摘要】
具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法。

技术介绍

[0002]膜分离方法具有占地面积小、稳定性好、易于操作、绿色无污染和低能耗等优势，具有巨大的发展潜力和良好的应用背景。离子交换膜在电渗析、反电渗析和氧化还原液流电池等领域发挥着重要的作用。但是，对于某些特定领域，例如氧化还原液流电池、食用盐的生产以及锂离子的提取等，普通的阳离子交换膜并不能满足其应用需求。因此，具有更高离子渗透选择性的单价选择性阳离子交换膜的制备及应用是目前研究的重点。值得注意的是，目前单价选择性离子交换膜的筛分机理主要是尺寸筛分效应和donnan效应。一方面，具有较小孔径的表面选择层可以用于分离半径较大的水合离子。另一方面，构建带有相反电荷的表面选择层后可以通过donnan效应分离单价、多价离子。目前，常见的膜表面改性方法主要有层层自组装、表面接枝和界面聚合。尽管这些方法可以提高离子的渗透选择性，但是不可避免地造成一些问题，例如膜面电阻的增加和电流效率的降低。
[0003]一方面，具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜可以克服多孔离子交换膜存在的阴离子泄露造成的电流效率降低的问题；另一方面，由于选择层较薄，具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的膜面电阻只有小幅度增加，从而可以在保证较高电流效率的同时降低能耗。在带有负电的基膜表面构建带有正电的选择层是制备具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的常见方法，但是目前常用以构筑带正电的选择层的物质，例如聚吡咯和聚苯胺等导电聚合物的实际应用由于其成本较高而受到限制。此外，在阳离子交换膜表面涂覆具有高度支化的聚氨基基团的聚乙烯亚胺可以显著提高渗透选择性，此类具有带正电选择层的单价选择性阳离子交换膜可以在环境修复和能源富集等领域广为应用，但是其构筑的选择层稳定性需要进一步提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法，该方法在带有磺酸基团的阳离子交换膜表面利用含氨基类物质和交联剂的界面反应，利用二者的高交联度以及氨基类物质与基膜的静电相互作用提高膜稳定性，最终获得性能优异且稳定性好的具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜，用于环境修复以及能源富集等领域。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法，将带负电的基材置于板框内，在一侧形成带有正电荷的选择层，从而制备出两侧具有不同电荷性质的Janus单价选择性阳离子交换膜，具体包括如下步骤：步骤一、浸泡基材使其溶胀，所述基材选用带有磺酸基的阳离子交换膜；步骤二、固定溶胀后的基材并将其表面铺展平整；
步骤三、将涂覆液1浸没基材对其进行表面处理，其中：所述涂覆液1中含有表面活性剂分子和交联剂；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠，浓度为0.1~0.3 wt.%；所述交联剂为1,3,5
‑
苯三甲酸或单宁酸、多巴胺等多酚类物质，浓度为0.05~0.5 wt.%；所述表面处理时间为1~10min；步骤四、移除涂覆液1并吹干膜表面至洁净干燥；步骤五、将涂覆液2浸没基材对其进行表面处理，其中：所述涂覆液2中含有氨基类物质；所述氨基类物质为聚乙烯亚胺、三乙烯四胺或四乙烯五胺等，浓度为0.1~2 wt.%；所述表面处理时间为1~10min；步骤六、移除涂覆液2并吹干膜表面至洁净干燥；步骤七、将步骤六干燥后的膜置于烘箱中进行热处理，得到具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜，其中：所述热处理温度为50~120℃，热处理时间为5~30min。
[0006]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术制备的Janus单价选择性阳离子交换膜两侧具有不同电荷性质，膜两侧的电荷性质的差异是通过界面反应在带负电的基膜一侧形成带正电的选择层来实现的。
[0007]2、本专利技术在带有磺酸基团的阳离子交换膜表面利用界面反应构建带有正电荷的表面选择层，实现了对Na
+
/Mg
2+
与Li
+
/Mg
2+
的高效分离，高于商业膜的Li/Mg分离系数可适用于盐湖水提锂。
[0008]3、本专利技术制备的电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的方法无需特殊设备的使用，简单易操作。
附图说明
[0009]图1为具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备过程；图2为膜制备过程中的板框模具的数码照片；图3为实施例1的Li
+
/Mg
2+
分离小试实验的实验结果；图4为实施例1的Na
+
/Mg
2+
体系分离稳定性实验的实验结果。
具体实施方式
[0010]下面结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。
[0011]实施例1：本实施例提供了一种具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、浸泡基材使其溶胀，所述基材选用磺化聚丙烯膜；步骤二、固定溶胀后的基材并用板框模具将其表面铺展平整；
步骤三、将含有0.15 wt.%十二烷基苯磺酸钠和0.10 wt.%1,3,5
‑
苯三甲酸的涂覆液1浸没基材对其进行表面处理5min；步骤四、移除涂覆液1并吹干膜表面至洁净干燥；步骤五、将含有0.8wt.%聚乙烯亚胺的涂覆液2浸没基材对其进行表面处理2min；步骤六、移除涂覆液2并吹干膜表面至洁净干燥；步骤七、将步骤六干燥后的膜置于烘箱中在温度为90℃的条件下进行热处理10min；步骤八、热处理后的膜去除板框模具并储存于去离子水中。
[0012]从图3可以看出，本实施例制备的具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜显著降低了Mg
2+
的渗透通量，并提高了Li
+
/Mg
2+
的渗透选择性。
[0013]从图4可以看出，本实施例制备的具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜对于Na
+
/Mg
2+
体系具有较高的分离选择性以及运行稳定性。
[0014]实施例2：本实施例提供了一种具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、浸泡基材使其溶胀，所述基材选用磺化聚丙烯膜；步骤二、固定溶胀后的基材并用板框模具将其表面铺展平整；步骤三、将含有0.15 wt.%十二烷基苯磺酸钠和0.10 wt.%1,3,5
‑
苯三甲酸的涂覆液1浸没基材对其进行表面处理5min；步骤四、移除涂覆液1并吹干膜表面至洁净干燥；步骤五、将含有0.6wt.%聚乙烯亚胺的涂覆液2浸没基材对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、浸泡基材使其溶胀，所述基材选用带有磺酸基的阳离子交换膜；步骤二、固定溶胀后的基材并将其表面铺展平整；步骤三、将涂覆液1浸没基材对其进行表面处理，所述涂覆液1中含有表面活性剂分子和交联剂；步骤四、移除涂覆液1并吹干膜表面至洁净干燥；步骤五、将涂覆液2浸没基材对其进行表面处理，所述涂覆液2中含有氨基类物质；步骤六、移除涂覆液2并吹干膜表面至洁净干燥；步骤七、将步骤六干燥后的膜置于烘箱中进行热处理，得到具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜。2.根据权利要求1所述的具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备方法，其特征在于所述涂覆液1中，表面活性剂的浓度为0.1~0.3 wt.%，交联剂的浓度为0.05~0.5 wt.%。3.根据权利要求1或2所述的具有电荷Janus结构的单价选择性阳离子交换膜的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵路，王文广，张艳秋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：