CJChE丨北京化工大學 李嬡杰、秦培勇、張新妙等: 以1,6-二溴己烷為雙功能交聯劑的半互穿聚合物網絡陰離子交換膜
文章信息
Anion exchange membranes with a semi-interpenetrating polymer network using 1,6-dibromohexane as bifunctional crosslinker
Aijie Li (李嬡杰), Zhanliang Wang (王占良), Zhihao Si (司志豪), Lu Lu (盧璐), Peipei Huang (黃沛沛), Jinhong Liu (劉金鴻), Songyuan Yao (姚淞元), Peiyong Qin (秦培勇), Xinmiao Zhang (張新妙)
Volume 72, August 2024, Pages 199-208
https://doi.org/10.1016/j.cjche.2024.04.026
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Chinese Journal of Chemical Engineering
研究背景
目前，世界人口的快速增長和工業化的發展使人們很難獲得足夠的淡水資源。海水淡化可以在不破壞自然生態系統的情況下提供穩定的淡水，因此未來迫切需要開發穩定、可靠的海水淡化技術。膜分離和熱蒸餾是海水淡化的兩種主要技術。其中，膜分離法消耗的熱能少，裝置簡單，操作步驟少。使用離子交換膜的電滲析技術顯示出一系列優勢，包括它不涉及從電能到機械能的轉換(如反滲透)或相變(如蒸餾)。陰離子交換膜應用于電滲析脫鹽時，一般期望具有高離子交換容量、低吸水性和高機械強度。然而由于缺乏緊湊的交聯區域，傳統的陰離子交換膜難以同時平衡離子交換容量、吸水率和機械強度。因此，通過交聯結構和模式的優化，提升陰離子交換膜的性能，對電滲析脫鹽技術具有重要意義。
成果展示
在本研究中，我們提出了一種新的半互穿網絡結構，其中聚偏氟乙烯(PVDF)為線性聚合物，1-乙烯基咪唑(VIm)為交聯單體，1,6-二溴己烷(DBH)為交聯劑。VIm和DBH形成交聯的聚合物網絡，與PVDF穿插在一起。PVDF具有高穩定性和強疏水性，是離子交換膜的理想基礎材料。VIm為前體，具有可形成陽離子的咪唑基團。DBH作為雙功能交聯劑被引入，其中與咪唑基團形成兩個陽離子基團，以提高離子電導率。DBH在與VIm的橋接中起著重要的作用，交聯度的增加會提高膜的機械強度。具體研究了PVDF/PVIm/DBH膜材料的IEC、吸水率、力學性能、熱穩定性、離子電導率等，考察了VIm和交聯劑添加量對電滲析脫鹽性能的影響。
圖文導讀
交聯劑DBH中的Br原子可以與咪唑環上的N原子發生取代反應，接枝到咪唑環上，從而在膜內形成穩定致密的網狀結構。PVDF/PVIm/DBH陰離子交換膜的機械強度隨著DBH的加入而增加，從3.54 MPa增加到12.35 MPa。因為DBH兩端的Br原子可以與VIm反應形成陽離子基團，因此DBH作為交聯劑不影響膜的IEC，通過交聯，在增加膜的交聯度和穩定性的同時增加膜內離子交換基團的數量，IEC可達2.22 mmol·g?1，吸水率低至38.1%。測試了PVDF/PVIm/DBH陰離子交換膜在電滲析脫鹽中的實際性能。在不同濃度的NaCl溶液下測試了陰離子交換膜的脫鹽率，隨著NaCl溶液濃度的逐漸增加，脫鹽率逐漸降低。在所有條件下，PVDF/PVIm/DBH 膜的脫鹽率均可達到95%以上，表現出優異的脫鹽性能。PVDF/PVIm/DBH 膜由于其合成簡單，在ED脫鹽方面具有很大的潛力。
Fig. 1 Tensile strength (a), IEC (b), and WU (c) of PVDF/PVIm/DBH AEMs; viscosity change of PVDF/PVIm/DBH casting solution before and after polymerization (d).
Fig. 2 Effect of NaCl concentration on desalinating ratio and energy consumption (a); relationship between dilute chamber water inflow and energy consumption (b); current density-time variation relationship and desalinating ratio-time variation relationship (c); conductivity-time variation in concentrate and dilute chambers (d).
陰離子交換膜應用于電滲析脫鹽時，一般期望具有高離子交換容量、低吸水性和高機械強度。在不同類型的陰離子交換膜中，半互穿聚合物網絡被認為具有結構優勢，離子交換基團的局部密度可調。然而由于缺乏緊湊的交聯區域，傳統的陰離子交換膜仍然難以同時平衡離子交換容量，吸水率和機械強度。在本研究中，我們提出了一種聚偏氟乙烯/1-乙烯基咪唑/1,6-二溴己烷(PVDF/PVIm/DBH)的半互穿聚合物網絡結構。一方面，引入可形成兩個陽離子基團的DBH，提高離子電導率，這與傳統的交聯劑不同。另一方面，DBH具有與VIm橋接的能力，所制備的膜的機械強度隨著交聯度的增加而增加。結果表明，PVDF/PVIm/DBH膜的吸水率為38.1%?62.6%，離子交換容量為2.12?2.22 mmol·g?1，拉伸強度為3.54?12.35 MPa。這項工作為實現高質量的陰離子交換膜開辟了新的途徑。
作者及團隊介紹
秦培勇教授，2005年7月畢業于清華大學化學工程系，師從陳翠仙教授。2010年5月至2011年6月赴美Texas Tech. University博士后。現任北京化工大學巴黎居里工程師學院院長。教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，北京市科技新星，主要從事生物化工和膜分離研究。在Angew Chem Int Ed、J Mater Chem A、Small、AIChE J、Green Chem、ACS Appl Mater Inter、Chem Eng J等國際著名期刊上發表100余篇。作為負責人，主持國家重點研發計劃、973計劃、863計劃、國家自然科學基金等課題；獲得國家技術發明二等獎1項、國家級教學成果獎二等獎1項、北京市教學成果一等獎1項、侯德榜化工科技創新獎、其它省部級和協會獎9項。
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