申请日2012.08.24
公开(公告)日2012.12.12
IPC分类号B01D61/44; B01D71/28; B01D71/06; B01D71/40; C02F1/72; B01D69/10; C02F1/469; C02F1/46; B01D67/00
摘要
本发明提供了一种快离子电极电性膜水处理装置方法，由导电聚合物聚合成快离子电性膜，快离子电性膜对水中的1价和多价离子都有很好的电渗选择迁移性能，是将膜分离所需的推动力压力差、浓度差、电位差组合在一起的高性能电解质分离膜。由快离子导体多孔基体材料负载在金属网中而成电极，将快离子电性膜和快离子电极构成快离子电极电性膜水处理装置，装置可用于低分子量电解质如氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁的脱盐，也可用于盐酸、乙酸和氢氧化钠的去离子以及水中有机物的去除。
权利要求书
1.一种快离子电极电性膜水处理装置方法，其特征在于：
(1)电性膜用导电阴离子聚合物的配制
在氮气流下，将上述组分装在烧瓶中，并在55℃下聚合10 小时，收集所得到的粒状聚合物，而后用5000份温水和2000份 甲醇彻底洗涤，以从交联粒状聚合物的表面上除去表面活性剂， 将交联粒状聚合物分散在水中，以制备分散体，再将所得到的导 电阴离子聚合产物在0℃下冻干;
(2)电性膜用导电阳离子聚合物的配制
在氮气流下，将上述组分装在烧瓶中，并在70℃下聚合9 小时，如此获得的交联粒状聚合物通过从丙酮一甲醇水中析出的 方式来提纯，所得到的导电阳离子聚合物0℃下冻干;
(3)快离子电极导电聚合物的制备
在氮气流下，将上述组分装在烧瓶中，并在70℃下聚合9 小时，如此获得的交联粒状聚合物通过从丙烷中析出的方式来提 纯，所得到的快离子电极导电多孔基体聚合物材料，在0℃下冻 干备用;
(4)快离子电性膜的制备
A、将导电阴离子导电聚合物分散在甲基丙烯酸丁脂300份 中搅拌2小时得到分散液，密封备用;
所得到的分散液聚合制备乳胶状涂料，该涂料用涂布机涂覆在涂 有聚丙烯树脂的脱模纸上，并使聚酯无纺布与涂覆表面紧密接 触，然后用热空气干燥，从而获得本发明的快离子电性膜阴膜， 该膜的面积大小根据需要而定;
B、将导电阳离子导电聚合物分散在五甲基二甲酰胺300份 中搅拌2小时得到分散液，密封备用;
所得到的分散液聚合制备乳胶状涂料，该涂料用涂布机涂覆 在涂有聚丙烯树脂的脱模纸上，并使聚酯无纺布与涂覆表面紧密 接触，然后用热空气干燥，从而获得本发明的快离子电性膜阳膜， 该膜的面积大小根据需要而定;
(5)快离子电极的制备
将快离子电极导电多孔基体聚合物材料负载在金属钛网中， 在氩气保护下经1300℃高温烧结3h而成快离子电极，快离子电 极具有在电能作用下产生氧化性很强的能降解水中有机污染物 的活性物质，还能在由快离子电极与快离子电性膜构成快离子电 性膜水处理设备;
(6)快离子电极电性膜水处理装置的制备方法
将实施例二方法制备的快离子电性膜按需要面积大小裁剪 成方形，装配在两端封闭了的内嵌有实施例二方法制备的快离子 电极的二个方形的塑料电极框中，电极框中由1至1000张快离 子电性膜及100目的塑料网框交替装配组合而成快离子电极电 性膜水处理装置，塑料网框设有布水道，每个交替组合之间有个 折流水道用于提高装置的脱盐率保证出水水质要求，快离子电极 电性膜水处理装置中配有水泵，组装成快离子电极电性膜水处理 装置。
说明书
快离子电极电性膜水处理装置方法
技术领域
本发明涉及一种快离子电极电性膜水处理装置方法，是将快 离子导电聚合物聚合成快离子导电的电性膜，该膜在电场作用下 能够渗透分离电解质，使用了该快离子电性膜的制备方法以及快 离子电极的制备方法，并将该快离子电性膜和快离子电极构成水 处理装置的制造方法。
背景技术
目前在废水处理应用中研究涉及的膜都是通用的离子交换 膜，还没有见到将快离子导电聚合物聚合成导电的、并能够渗透 分离电解质的快离子电性膜，以及将电性膜与快离子电极构成快 离子电极电性膜水处理装置。
众多的研究表明，现有研究的电渗析器用的离子交换膜分为 二大类：一类是由阳离子交换树脂粉和阴离子交换树脂粉聚合而 成异相离子交换膜;另一类是由带阳离子聚合物和带阴离子聚合 物聚合而成的均相离子交换膜。这些公知的电渗析膜具有可渗析 低分子量电解质的功能，但是它们不能渗析非电解质或对此种电 解质的渗析速率非常低，另外现有技术中的电渗析膜仍然存在着 电解质渗析率低、渗析速度慢、易结垢、不耐有机和无机污染物 的污染等问题。
用现有技术制备出的一种电渗析膜的方法，已有很多文献提 出使用与离子交换膜相反电荷物质对阳离子交换膜和阴离子交 换膜进行表面处理，使膜表面的抗有机污染性能得到改良。
但用上述与离子交换膜相反电荷物质对阳离子交换膜和阴 离子交换膜进行表面处理的方法中，即使膜表面的抗有机污染性 能得到改良，但膜的固有紧密性和电渗透性并未得到改变。然而 该方法在处理膜时会出现膜的表面积因溶剂的溶胀和收缩而改 变膜的原始基质问题，因为绝大多数电渗析离子交换膜组分是离 子型聚合物，而且用此种方法对膜表面进行处理时会使膜发生收 缩或强度降低。
用上述方法对膜表面进行处理的方法存在的另二个问题是， 其一是由于绝大多数制膜组分是有机聚合物，因有机离子型聚合 物导电性差，电离的平衡导致电势能减弱，电解质的电性分离功 能同时减弱，使电解质分离功能降低。其二是制膜组分的离子型 聚合物是不良导电体，膜的电解质电渗析性能差导致大部分电解 质离子完全靠电能推动形成电渗析来渗析电解质，导致能耗高， 膜容易发生极化。
在水处理领域中，用传统电渗析器处理水时存在如下问题： 一是电渗析器只能对水中电解质进行分离(如酸碱的回收)，对 水中的有机污染物几乎没有降解作用，对不导电的无机离子分离 性能差，且极易被无机离子污染结垢。二是传统电渗析器所用电 极为金属钛涂钌铱金属氧化物层，电极的导电性不好，涂层表面 积低，易脱落，使用寿命短，因此导致整套装置存在电流效率低， 易形成极化。上述问题的存在，使得电渗析在废水处理应用范围 受到限制。
发明内容
基于上述传统电渗析器用的离子交换膜和电极的技术不足， 本发明的目的是提供一种将导电聚合物聚合成的快离子电性膜， 由快离子导体多孔基体材料负载在金属网中而成电极。快离子电 性膜，是先将导电聚合物聚合成快离子导电聚合物纳米颗粒负载 在聚乙烯网基体材料上，这种快离子电性膜电荷质量高且导电性 能好，能形成既导电又不致电荷间有短路问题，具有较好的离子 电渗透性，对水中的1价和多价离子都有很好的电渗选择迁移 性能，该方法的膜易于制备。同时提供了一种制备厚度薄而均匀 的负载电荷质量高、导电性能好的快离子电性膜方法，其成膜时 间短并且过程易于掌控。因此，这种快离子导电聚合物组分和基 体组成的电性膜具有优异稳定性。
膜分离的共同特点是膜的渗透和传输机理取决于推动力的 种类和推动力的大小、膜材料的形态结构以及被分离物质和膜材 料的物理化学性质，膜分离的推动力可以是压差、浓度差、电位 差、温差、PH值差。
快离子电极电由导电导体多孔基体材料负载在金属网中而 成电极，是将几种有机和无机聚合物经合成为快离子导体胶体， 再将胶体负载在金属网中，经高温烧结而成快离子电极，快离子 电极具有在电能作用下产生氧化性很强的能降解水中有机污染 物的活性物质，还能在由快离子电极与快离子电性膜构成快离子 电极电性膜水处理装置。
为了达到上述发明目的，本发明是将膜分离所需的推动力浓 度差、电位差组合在一起的高性能电解质分离电性膜。
本发明的导电的快离子电性膜可用于选择透过电解质，主要 用于降低水中的硬度(矿化度)，去除水中无机和有机污染物。
本发明的快离子电性膜，是导电聚合物多孔基体材料为基体 的和阳离子与阴离子聚合物组分分别形成膜的导电体带电荷的 聚合物胶体组分，该组分均为凝胶交联粒状导电聚合物，并且其 基体组分选自一至数种聚氨基甲酸甲酯树脂、氟化隆树脂、呋喃 树脂的聚合物组成。
本导电的快离子电性膜的制备方法，是导电的快离子电性膜 使用以组合物形式存在的快离子导电聚合物和两种带电荷的阴 阳离子聚合物组分成膜，其中荷电的两种聚合物组分分散在至少 一种聚合物的溶液中，该聚合物作为基体组分选自氟化隆树脂、 聚氨基甲酸甲酯树脂、呋喃树脂的聚合物并溶解在溶剂中。另外， 在本发明中每种带电荷的导电聚合物组分优选的平均颗粒尺寸 为0.01-18μm，优选为0.02-8μm范围内。
可用于本发明的制备导电的快离子电性膜材料，导电的快离 子导体聚合物和带电荷的聚合物组分的实例包括：作为导电的快 离子的是导电聚合物，作为阳离子导电聚合物组分含有阳离子基 团如伯一叔氨基、季铵基或其盐的基团。而作为阴离子导电聚合 物组分包含阴离子基团如磺酸基或磺酸盐的基团。在将浸入膜中 的离子基团转换为其盐时，可用一种酸作为阳离子基团，如硫酸 或硫酸盐;同时可用一种碱作为阴离子基团，如胺或链烷醇胺。
快离子电性膜材料成膜前的配制液是通过下述方法制备的： 首先将导电聚合物合成快离子导电聚合物，使快离子导电聚合物 和荷电聚合物组分和在有机溶剂中的基体组分溶液相混合，以便 使快离子导电聚合物与荷电聚合物组分分散在该溶液中。在混合 快离子导电聚合物和荷电聚合物组分时，在优选使用有机溶剂中 形成的分散液将荷电聚合物组分在有机溶剂的基体组分溶液中 混合和分散的方法没有特别限制，例如超声搅拌方法，在溶解器 或均匀混合器、或搅拌器中均可以用来进行混合和分散。
本发明的快离子电性膜可用于选择性渗透电解质。例如，本 发明的快离子电性膜可用于低分子量的电解质如氯化钠、氯化 钾、硫酸钠、磷酸钠和氯化钙、氯化镁的脱盐，也可用于盐酸、 乙酸和氢氧化钠的去离子。
特别是，本发明的快离子电性膜设备可在工业用水、高矿化 度水等水处理中用于脱盐。
下面将通过实施例对本发明进行详细描述，除非特别说明以 外，其中“份”或“份数”和“%”是基于重量的。
具体实施方式
实施例一
1、电性膜用导电阴离子聚合物的配制
在氮气流下，将上述组分装在烧瓶中，并在55℃下聚合10 小时。收集所得到的粒状聚合物，而后用5000份温水和2000份 甲醇彻底洗涤，以从交联粒状聚合物的表面上除去表面活性剂。 将交联粒状聚合物分散在水中，以制备分散体，再将所得到的导 电阴离子聚合产物在0℃下冻干。
2、电性膜用导电阳离子聚合物的配制
在氮气流下，将上述组分装在烧瓶中，并在70℃下聚合9 小时。如此获得的交联粒状聚合物通过从丙酮一甲醇水中析出的 方式来提纯，所得到的导电阳离子聚合物0℃下冻干
3、快离子电极导电聚合物的制备
在氮气流下，将上述组分装在烧瓶中，并在70℃下聚合9 小时。如此获得的交联粒状聚合物通过从丙烷中析出的方式来提 纯，所得到的快离子电极导电多孔基体聚合物材料，在0℃下冻 干备用。
实施例二
1、快离子电性膜的制备
(1)将导电阴离子导电聚合物分散在甲基丙烯酸丁脂300 份中搅拌2小时得到分散液，密封备用。
所得到的分散液聚合制备乳胶状涂料，该涂料用涂布机涂覆 在涂有聚丙烯树脂的脱模纸上。并使聚酯无纺布与涂覆表面紧密 接触，然后用热空气干燥，从而获得本发明的快离子电性膜阴膜， 该膜的面积大小根据需要而定。
(2)将导电阳离子导电聚合物分散在五甲基二甲酰胺300 份中搅拌2小时得到分散液，密封备用。
所得到的分散液聚合制备乳胶状涂料，该涂料用涂布机涂覆 在涂有聚丙烯树脂的脱模纸上。并使聚酯无纺布与涂覆表面紧密 接触，然后用热空气干燥，从而获得本发明的快离子电性膜阳膜， 该膜的面积大小根据需要而定。
2、快离子电极的制备
将快离子电极导电多孔基体聚合物材料负载在金属钛网中， 在氩气保护下经1300℃高温烧结3h而成快离子电极，快离子电 极具有在电能作用下产生氧化性很强的能降解水中有机污染物 的活性物质，还能在由快离子电极与快离子电性膜构成快离子电 性膜水处理设备
实施例三
1、快离子电极电性膜水处理装置的制备方法
将实施例二方法制备的快离子电性膜按需要面积大小裁剪 成方形，装配在两端封闭了的内嵌有实施例二方法制备的快离子 电极的二个方形的塑料电极框中，电极框中由若干张(或1至 1000张)快离子电性膜及100目的塑料网框交替装配组合而成 电性膜水处理设备，塑料网框设有布水道，每个交替组合之间有 个折流水道用于提高装置的脱盐率保证出水水质要求，装置中配 有水泵，组装成快离子电极电性膜水处理装置。