基于紫外交联的阳离子交换膜的优化制备及性能研究

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离子交换膜的溶胀问题和细菌污染问题一直以来受到各地学者的关注,研究这些问题对提高膜的综合性能具有指导意义。交联是一种有效提高材料的化学稳定性和机械性能的方法,对于离子交换膜而言,通过形成交联结构,不但能有效减缓因离子交换容量过高而引起的过度溶胀及机械性能下降的问题,甚至能在膜内诱导形成离子团簇,形成亲疏水相分离结构,从而赋予离子膜优异的离子传输性能。值得一提的是,除了交联剂种类,交联剂的结构及其形成的交联密度在很大程度上影响着材料的性能。然而,大多数研究仅通过改变交联剂用量或交联分子的长度来调控交联密度及聚合物结构,而关于交联分子的官能度对离子交换膜性能的影响研究非常少。因此,探究交联剂的官能度对膜材料性能的影响,帮助研究人员更好地理解离子交换膜结构与性能之间的关系,对指导开发高性能离子交换膜有十分重要的意义。本研究基于紫外交联法,设计并成功制备了一系列交联型阳离子交换膜,并通过原位还原纳米银技术,进一步提高离子交换膜的抗菌及其他性能。(1)采用紫外交联法制备一系列交联型磺化聚砜阳离子交换膜,利用双酚A型聚砜主链上甲基的光化学活性,选取同样具有光响应性的多官能度丙烯酸酯类交联剂,制备出了一系列交联型磺化聚砜阳离子交换膜,探讨了交联剂官能度对改性膜尺寸稳定性、机械性能、电化学性能及电渗析性能的影响。由于制备过程中交联剂官能度的不同,膜内形成的三维网络结构的致密性不同,亲疏水结构也不同,从而赋予离子交换膜不同的物理性能和电化学性能,一定程度提高了其抗溶胀性能和离子传输性能。随着交联剂官能度的增加,膜表面变得更光滑,吸水率得到了抑制,尺寸稳定性得到了加强。其中,交联型阳膜(60SPSF-C2#)显示出最优的微相分离结构,它的脱盐率达到91.7%,电流效率达到95.7%,能耗低至6.55 k Wh·kg-1。这些结果表明,交联剂的官能度能影响膜内三维网络结构,对开发出高性能离子交换膜具有指导意义。(2)在上述研究的基础上,基于离子交换和紫外光诱导还原过程,在聚合物形成交联网络结构的同时,制备出一系列银纳米粒子负载交联型阳离子交换膜。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段,证实了原位生成的银纳米粒子在聚合物基体中均匀分散。掺杂银纳米粒子的膜中结合了无机纳米材料与聚合物的优点,适当的银纳米粒子粒径和分散性提高了膜的力学性能。此外,制备的阳离子交换膜对大肠杆菌具有良好的杀菌活性,并明显改善了膜的电化学性能。这是由于银纳米粒子在离子交换基团附近的分布增加了水分子在其周围的聚集,一定程度上拓宽了的离子传输通道,从而提高了传输效率。在实验条件下,优选的阳离子交换膜(60SPSF-C3#-Ag-2)对Na Cl的去除率达到67.5%,电流效率高达96.9%,能耗为5.84 k Wh·kg-1。抑菌区最大边界距SPSF-C3#-Ag-2膜边界的距离为4.8 mm,总抗菌直径是样品本身宽度的2.4倍。这些结果表明,所提出的合成策略在离子交换膜抗菌和电渗析脱盐领域具有潜在的应用前景。
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