一种离子交换树脂基Janus膜的制备方法及其在电容去离子中分离一价/二价阳离子的应用

本发明涉及水处理，尤其是指一种离子交换树脂基janus膜及其制备方法与其在电容去离子中分离一价/二价阳离子的应用。

背景技术：

1、近年来，随着人口的增长和工业的发展，对废水处理的要求越来越高，缺水问题引起了全世界的关注。如何实现水资源中一价/二价阳离子准确高效的分离对研究能源和环境领域的许多关键技术具有重要意义。由于部分一价/二价阳离子的化学性质相似，这使得一价/二价阳离子的高选择性分离非常困难。传统的分离一价/二价阳离子的方法有沉淀法、太阳能蒸发、溶剂萃取等方法，但是这些方法普遍存在经济效益低、制备难度大、污染环境等问题。离子交换膜结合电容去离子等电化学方法因其能耗低且环境友好，已被证明是一种很有前景的脱盐技术。然而，在脱盐过程中传统的商业化离子交换膜仅能分辨阴阳离子的类型，对不同价态的同类型离子的分辨能力较差，因此对一价/二价阳离子的分离能力较差。

技术实现思路

1、为解决现有技术中电容去离子等电化学技术分离一价/二价阳离子效果差的关键技术问题。本发明提供了一种离子交换树脂基janus膜及其制备方法与其在电容去离子中分离一价/二价阳离子的应用。

2、本发明的第一个目的在于提供一种离子交换树脂基janus膜的制备方法，包括以下步骤：

3、配制tris缓冲溶液和盐酸多巴胺的混合溶液；向混合溶液中加入聚乙烯亚胺，得到聚乙烯亚胺溶液；

4、将全氟磺酸离子交换树脂溶液喷涂在载体表面，静置，得到带负电的全氟磺酸膜；

5、将所得带负电的全氟磺酸膜浸泡于乙醇水溶液中，之后放入聚乙烯亚胺溶液中，摇床震荡反应，清洗干燥，得到所述离子交换树脂基janus膜。

6、在本发明的一些实施例中，所述tris缓冲溶液的ph值为7.5～10.0，tris缓冲溶液的浓度为5～50mm；

7、盐酸多巴胺的浓度为0.5～10g/l。

8、在本发明的一些实施例中，所述聚乙烯亚胺的分子量为200～200000。

9、在本发明的一些实施例中，所述全氟磺酸离子交换树脂溶液的溶剂选自n-甲基吡咯烷酮(nmp)、二甲基亚砜(dmso)、1,2-丙二醇和n-n二甲基乙酰胺(dmac)中的一种或多种。

10、在本发明的一些实施例中，所述全氟磺酸离子交换树脂溶液的浓度为3wt.％～15wt.％。

11、在本发明的一些实施例中，所述载体选自pvc薄板，所述pvc薄板的厚度为0.2～2mm；

12、静置的时间为2～10h。

13、在本发明的一些实施例中，所述乙醇水溶液的浓度为30％～90％；

14、乙醇水溶液中浸泡的时间为1～30min。

15、在本发明的一些实施例中，震荡反应的条件：震荡的速度为20～200rpm，温度为20～60℃，反应时间为2～24h。

16、本发明的第二个目的在于提供一种离子交换树脂基janus膜，由所述制备方法所得。

17、本发明的第三个目的在于提供所述离子交换树脂基janus膜在电容去离子中分离一价/二价阳离子的应用。

18、应用的具体步骤：所述离子交换树脂基janus膜用作电容去离子的阳离子交换膜，阴离子交换膜采用商业化成品膜；

19、(1)将制备的离子交换树脂基janus膜置于去离子水中浸泡，揭掉其底部的pvc薄板，将得到的膜置于电容去离子装置中；

20、(2)给电容去离子装置施加电压，将含有一价/二价阳离子的水溶液以恒定速度泵送入装置中进行一价/二价阳离子的分离；

21、进一步地，所述一价/二价阳离子包括li+/mg2+、na+/cu2+、na+/mg2+、na+/ca2+等，

22、进一步地，一价阳离子和二价阳离子的摩尔浓度比为1:50～1:1；

23、进一步地，电容去离子过程的工作电压为0.2～1.2v，泵的流速为0.2～10ml/min。

24、在本发明中，全氟磺酸树脂因其内部有大量带负电的磺酸基，阳离子可以在其内部高效穿梭交换。聚乙烯亚胺(pei)具有丰富的胺基，伯胺、仲胺和叔胺的比例达到1:2:1，将pei以不同的方式引入膜表面，使膜带正电，借助donnan排斥，可以增强膜对二价阳离子的排斥，从而显著提高膜对一价/二价阳离子的选择性。将全氟磺酸树脂与pei结合，制备一面带负电，一面带正电的janus膜，将其应用于电容去离子等电化学方法中，带正电的一面可以实现对水中二价阳离子的强排斥，而水中大部分的一价阳离子在穿过带正电的面之后进入带负电的一面进行离子交换，从而实现电化学高效分离一价/二价阳离子。

25、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

26、本发明创造性的制备了一种双面电性不同的全氟磺酸离子交换膜，基于donnan排斥理论，膜的带正电一面能够形成高表面势垒，从而有效地阻止阳离子靠近膜，并且基于库仑定律，正电荷对二价阳离子的排斥作用强于对一价阳离子的排斥作用，与常规的只带负电的阳离子交换膜相比，该发明制备的janus膜带正电一面通过电荷排斥作用，实现更优异的一价/二价阳离子分离性能。同时，本发明采用常规的原材料，制备方法简单，反应条件温和，适合工业化生产。该发明制备的janus膜应用于电容去离子等电化学体系，由于该膜独特的双面不同电性，可以有效的提高含盐废水中一价/二价阳离子的分离性能。

技术特征：

1.一种离子交换树脂基janus膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述tris缓冲溶液的ph值为7.5～10.0，tris缓冲溶液的浓度为5～50mm；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺的分子量为200～200000。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述全氟磺酸离子交换树脂溶液的溶剂选自n-甲基吡咯烷酮(nmp)、二甲基亚砜(dmso)、1,2-丙二醇和n-n二甲基乙酰胺(dmac)中的一种或多种；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述载体选自pvc薄板，所述pvc薄板的厚度为0.2～2mm；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙醇水溶液的浓度为30％～90％；

7.一种离子交换树脂基janus膜，其特征在于，由权利要求1-6中任一项所述制备方法所得。

8.权利要求7中所述离子交换树脂基janus膜在电容去离子中分离一价/二价阳离子的应用。

9.根据权利要求8中所述的应用，其特征在于，所述一价/二价阳离子包括li+/mg2+、na+/cu2+、na+/mg2+、na+/ca2+。

10.根据权利要求8中所述的应用，其特征在于，一价阳离子和二价阳离子的摩尔浓度比为1:50～1:1。

技术总结
本发明提供了一种离子交换树脂基Janus膜及其制备方法与其在电容去离子中分离一价/二价阳离子的应用。本发明膜的制备方法：配制Tris缓冲溶液和盐酸多巴胺的混合溶液；向混合溶液中加入聚乙烯亚胺，得到聚乙烯亚胺溶液；将全氟磺酸离子交换树脂溶液喷涂在载体表面，静置，得到带负电的全氟磺酸膜；将所得带负电的全氟磺酸膜浸泡于有机溶剂中，之后放入聚乙烯亚胺溶液中，摇床震荡反应，清洗干燥，得到所述离子交换树脂基Janus膜。本发明解决了电化学用离子交换膜对不同价态盐离子选择性低和分离效果差的关键问题。

技术研发人员：王力,王志伟,徐立静,汪晟
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29