《离子交换膜技术》2700字

其膜结构中的固定电荷属性，离子交换膜分为阳离子交换膜(cationexchangemembranes),阴离子交换膜(anionexchangemembranes)和两性离子交换膜过阳离子排斥阴离子通过.而阴离子交换膜含有固定的正电荷，可选择透过阴离子排斥阳离子通过.基于这些原理，人们把离子交换膜广泛应用于电渗析等工业高分子材料的离子交换膜，因其优异的性能已在食品、化工、纺织、冶金、国离子交换膜的研制开始于1960年前后，主要研制用于苦咸水淡化方面的非均相膜。随后于70年代初研制出了多种性能较为优良的离子交换膜，但实际投入1890年进行了第一个电膜过程；1911年提出Donnon电势推动其发展；1925年首次制备离子交换膜；1932年，Bacon首次制备两性离子膜和镶嵌膜；1940年电膜首次应用于工业；1950年，商业离子交换膜和电渗析器出现；1962年电1978年Nafion膜，氯碱电解膜和双极膜出现；随后新型离子膜过程如ED的集-SO₃,-CO0-,-PO3-,-PO₃H-,-C₆H₄O-等例依附在膜骨架上。这些基团允许阳离子通过而排斥阴离子。该膜中的质子传输受两种机制控制，即Grotthus机制和车辆机制。在Grotthus机制中，质子传输通过自由水分子之间氢键的形成和分解。在车辆机制的情况下，水合质子由于产生的电化学电位差而穿过膜。两种机制的图2.Grotthus机制原理示意图图3.vechicle机制原理示意图到目前为止，商业化运用多的离子交换膜是美国杜邦公司的Nafion膜，全氟乙烯醚共聚单体与四氟乙烯共聚制成Nafion膜材料。Nafion材料具有疏水骨架和亲水侧链这种结构赋予Nafion膜材料独一无二的微观结构以及特殊的性能。疏水骨架提供了化学稳定性和机械稳定性，亲水侧链则与提高其离子电导率和离子选择性。Nafion作为一种全氟磺酸膜，Nafion材料的电化学性能和化学稳定性较好，能够在全钒液流电池强氧化性的环境下稳定运作，具有很高的离子电导率，可以达到较高的电压效率，所以成为了全钒液流电池最广泛使用的离子交换膜。Nafion膜是一种阳离子膜，阳离子膜具有良好而化学稳定性，拥有较高的离子电导率，但是也存在很多问题：钒离子渗透严重，电池自放电及水迁移严重，影响电池效率，膜材料贵等等。膜的性能为了减少钒离子的交叉，Kim等人通过逐层工艺(LBL)用聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和纤维素纳米晶体(CNC)对Nafion212进行了改性。逐层方法是制造具有受控结构和成分的多层薄膜的有效方法。这种LBL方法释的。67在步骤Ⅱ中，将预处理的膜浸入PDDA溶液中5分钟。然后用去离子水冲洗膜以完全去除剩余的PDDA颗粒。第三步，将膜浸入0.01MCNC溶液中5min。在第二个冲洗步骤之后，重复执行该过程以实现多层组件。获得的Nafion-[PDDA/CNC]n(n=20,最佳层数)膜可以比原始Nafion膜更有效和更而PDDA充当Nafion和CNC之间的桥梁，并通过静电排斥抑制钒离子的交叉。另一种产生比纯Nafion更好的VRFB电池性能的方法是加入添加剂，例如钒渗透性的Nafion离聚物(PFSA)和生物纤维素(BC)。24Nafion也可以通过在氨基官能化Nafion212上加入一层交联氧化石墨烯(LCGO)来改性获得CLGO/Nafion212膜。72这种复合膜对钒离子的渗透性比纯Nafion212膜使CLGO/Nafion212膜具有有趣的特性。这导致VRFB中的操作时间更长。与原始Nafion212膜相比，使用CLGO/Nafion212组装的VRFB电池也表现出更好的电化学性能，在20至100mA.cm-2的电流范围内具有显着更高的CE和仅轻微的VE降低。在长达150小时内没有观察到开路电压(OCV)的变化。在阴离子交换膜中，带正电的基团通常有-NH³+,-NRH²+,-NR₂H+,-NR³+和发生。膜内的正电荷通过Donnan效应降低渗透率。尽管阴离子排斥阳离子，但质子仍然可以通过膜扩散，因为酸可以被吸收到阴离子交换膜的亲水纳米通道中，从而允许质子和阴离子同时传输。阴离子膜具有钒离子渗透率低，成本低的优点，但是也存在质子传导率低，化学稳定性差的问题2]。1.3两性膜两性离子交换膜具有阳离子交换基团和阴离子交换基团，具有传递阴阳离子的能力，含有酸碱结构的两性离子交换膜具有高导电性和低溶胀比。具有胺基(带正电荷的碱性基团)的两性膜对钒离子表现出道南排斥效应，这一点会提高全钒液流电池电池的性能，降低钒离子的渗透率。两性膜高度功能化(酸性和碱性基团与聚合物主链的连接),具有优良的吸水性、溶胀性和良好的化学稳定性。然而高度官能化通常会导致膜稳定性下降，例如尺寸不稳定性和在水中的溶解的问题。为了避免这些问题，阴阳离子基团混合被认为是开发两性膜的合适选择。阴阳离子基团之间的静电相互作用有助于通过形成氢键网络来优化水分子的方向，(二甲基氨基甲基)酚(TAP)接枝的磺化聚醚酮(SPK)的新的合成方式，用于制备两性离子交换膜。通过使用不同数量的碳链(C6和C10)的二溴烷烃实现了交联，并对全钒液流电池电池(VRFB)的不同两性离子交换膜进行了评估。这些两性离子交换膜的机构包含-SO3H基团以保持导电性，和-NH3+基团通过酸碱相互作用降低钒渗透性并改善电荷时间，通过不同的光谱技术(FTIR、H-1核磁共振、SEM和AFM)解释