聚乙烯阴离子交换膜的改性及性能研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nihaoyuyue2009
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长期以来含氯重金属高浓度废水,具有毒性重,长期排放,水量与水质的波动大等特点,不仅影响着生态安全,更影响着人类健康。传统处理方法为电解法,这种方法虽然可以有效的回收金属单质,但是会在阳极区产生氯气,严重影响着环境与工人的健康。为克服传统电解法在阳极区产生氯气或为了中和氯气大量使用碱液造成浪费的弊端,提出‘‘双膜三室’’工艺,这种工艺不仅可以解决产生氯气的问题,还可以在中隔室回收盐酸重复使用,提高了经济效益。作为‘‘双膜三室’’的核心部件阴离子交换膜,其性能很大程度上影响着工艺的效益。市售的阴离子交换膜虽然具有良好的离子交换容量,膜面电阻,选择透过性,含水率等性能。但是处理高浓度重金属废水所要求的稳定性与机械性能有所欠缺。为满足离子交换膜长期使用,高寿命的要求,本文提出制备聚偏氟乙烯(poly(1,1-difluoroethylene),简称PVDF)聚乙烯阴膜,然后在PVDF聚乙烯阴膜的基础上分别使用聚多巴胺(Polydopamine,简称PDA)和聚乙烯亚胺(ethylenimine,简称PEI)表面浸润改性阴离子交换膜以及不同比例的聚多巴胺和聚乙烯亚胺共沉积改性阴离子交换膜。旨在通过掺混改性以及浸润改性制备出一种具有高化学稳定性和机械稳定性的阴离子交换膜(anion exchange membran,简称AEM)。在实验中所使用的评价膜性能的方式有基本性能(离子交换容量,含水率,选择透过性,耐破度),电化学性能(膜面电阻),傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared,简称FTIR),扫描电镜(Scanning electron microscope)。实验中将6%的PVDF掺混到聚乙烯阴膜中,然后使用比例为1:2的DA(多巴胺)与PEI浸润改性PVDF聚乙烯阴膜,制备出DA/PEI/PVDF聚乙烯阴膜并将之应用到双膜三室的工艺中处理高浓度的Co Cl2溶液,使用槽电压,电流效率,钴回收量与酸的回收量评价DA/PEI/PVDF聚乙烯阴膜在工程应用中的表现。主要的研究内容和结论如下:(1)确定了PVDF聚乙烯阴膜的制备机理,通过粉碎→密炼→开炼→热压的技术路线制备PVDF聚乙烯阴膜,研究不同PVDF质量分数(2%,4%,6%,8%,10%)对膜性能的影响,结果表明当PVDF含量为6%时,离子交换膜的性能最好,膜的抗氧化性以及耐酸性提高了50%和44%,耐破度方面提升了10%,这表明PVDF聚乙烯阴膜在应用中拥有了更好的化学稳定性以及机械稳定性,但是PVDF的添加使得含水率,离子交换容量,选择透过性,膜面电阻性能下降。(2)针对PVDF聚乙烯阴膜存在的问题,使用PDA和PEI分别浸润改性以及共沉积改性PVDF聚乙烯阴膜,结果表明共沉积改性的效果要优于PDA和PEI分别浸润改性的效果。DA具有的自聚效应可以使得PEI更多的附着在膜的表面,而PEI与PDA之间的静电作用又阻碍了PDA的过分聚集从而使得膜表面改性层更加光滑平整。(3)为进一步优化PDA和PEI共沉积改性的工艺条件,使用不同比例(1:0,1:1,1:2,1:3,1:4)的PDA和PEI来改性PVDF聚乙烯阴膜。结果表明当PDA和PEI的比例为1:2时离子交换膜的性能最好,对比PVDF聚乙烯阴膜它的离子交换容量从2.25mmol/L提升到2.62mmol/L、含水率从38.0%提升到41.0%、选择透过性从83.6%提升到86.2%、膜面电阻从12.2Ω降低到5.1Ω、氧化百分比从41.0%降低到37.3%、酸化百分比从52.0%降低到48.1%。(4)将DA/PEI/PVDF聚乙烯,PVDF聚乙烯阴膜-6,和杭州绿和商业膜应用于‘‘双膜三室’’工艺中电解高浓度Co Cl2溶液来回收钴,在电流密度100 A/m~2-400A/m~2的范围内DA/PEI/PVDF聚乙烯阴膜在槽电压,电流效率,钴回收量与酸的回收量方面均不如商品膜但差别不大,对比起PVDF聚乙烯阴膜-6有很大提升。在膜的重量损失情况方面优于商品膜,也就是具有更好的机械稳定性以及化学稳定性。考虑到长期在恶劣环境中使用,DA/PEI/PVDF聚乙烯阴膜更加适合在双膜三室工艺中应用。
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