雙極膜

雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽膜和一張陰膜複合製成的陰、陽複合膜。該膜的特點是在直流電場的作用下，陰、陽膜複合層間的H2O解離成H+和OH-並分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。雙極膜按巨觀膜體結構分可分為均相雙極膜和異相雙極膜。

基本介紹

• 中文名：雙極膜
• 別稱：雙極性膜
• 類型：特種離子交換膜
• 分類：均相雙極膜和異相雙極膜

研發進展

雙極膜雖然是一種新膜(與其他高分子膜200餘年發展歷史相比而言)，但它的研究可追溯到50年代中期。其發展過程可劃分為三個階段：第一階段50年代中期至80年代初期，這是雙極膜發展十分緩慢的時期，雙極膜僅是由兩片陰陽離子膜直接壓制，性能很差，水分解電壓比理論壓降高几十倍，套用研究是以水解離為基礎的實驗室階段；第二階段從80年代初至90初，由於雙極膜製備技術的改進，成功地研製了單片型雙極膜，其性能大大提高，已經在制酸鹼和脫硫技術得到了成功套用，這一階段出現了商品雙極膜；從90年代初至今，是雙極膜得到迅猛發展的時期，隨著對雙極膜工作過程機理的深入研究，從膜結構、膜材料和製備過程上進行了重大改進，使製得的雙極性膜在性能上有較大提高，其中主要是對陰膜和陽膜接觸界面的改進，從最初簡單的“層壓型”或“塗層型”結構到80年代初開始出現的“單片型”結構，隨後又出現帶有中間“催化層”的複雜結構。在此領域研究較深入的國家有美國、日本、前蘇聯和德國；我國在雙極膜的研發工作從上世紀90年代才開始，起步比較晚，直到近幾年才出現了商品化雙極膜。目前雙極膜的套用從化工行業已擴展到生命科學、環境科學和能源等諸多相關國際民生行業中，作為一種新型工具來解決這些領域中久有的技術難題。

製備方法

陰、陽離子交換膜層熱壓成型法

這種方法的基本過程是將乾燥的陰、陽離子交換膜層疊放在用聚四氟乙烯薄膜覆蓋的不鏽鋼板中，排除內部氣泡，加熱加壓製得雙極膜。由這種方法製得的雙極膜，可能會因為陰、陽兩膜層的相互滲透，固定基團的靜電相互作用，在中間界面層形成高電阻區域，使雙極膜的工作電壓升高。

陰、陽離子交換膜層粘合成型法

這種方法的基本過程是用粘合劑分別塗覆陰、陽離子交換膜的內側，然後疊合，排除內部的氣泡和液泡，經乾燥而得雙極膜。也可將製得的雙極膜通過加熱加壓進一步增強兩膜層間的粘合力。為了減小雙極膜的工作電壓， 所用的粘合劑應該是可滲透的粘合劑，如聚乙烯亞胺、環氧氛丙烷及雙酚丙烷系環氧化合物在甲醇中反應所得粘稠物，或苯乙烯磺酸與二乙烯苯的部分共聚物等有機物以及Cr(NO3)3、三氯化釕、矽酸鈉、磷酸銦等無機電解質溶液。粘合劑層的厚度應以兩膜層有足夠粘合強度為宜，太厚將使雙極膜的電阻增大、工作電壓升高。

一膜層在另一膜層上流延成型法

這種製備方法的基本過程是在陰離子交換膜層上覆蓋一層分散有陽離子交換樹脂的聚合物溶液，或者在陽離子交換膜層上覆蓋一層分散有陰離子交換樹脂的聚合物溶液，經乾燥而製得雙極膜。 也可以直接用液態的離子交換材料， 如二-( 2-乙烯基-己基) -焦磷酸、三辛基甲基氯化銨等，代替離子交換樹脂分散的聚合物溶液。為了使兩膜層能結合緊密，在覆蓋前可對陰膜層或陽膜層的表面進行粗糙化處理， 如砂紙打磨，表面壓花( 紋)，電漿表面蝕刻等。

基膜兩側分別引入陰、陽離子交換基團法

這種製備方法的基本過程是在聚合物基膜兩側分別用化學反應方法引入陰、陽離子交換基團而製得雙極膜。比如，將聚乙烯膜浸吸苯乙烯、二乙烯苯及過氧化苯甲醯的混合溶液製得基膜，通過覆蓋保護的方法，一側氯磺化、水解得陽膜層，另一側氯甲基化、胺化得陰膜層。

該法很關鍵的一項技術是要控制好陰、陽膜層的厚度並且使兩者的界面平行於膜表面且兩者不相互滲透。所以基膜必須均質平整，同時對磺化時間和氯甲基化時間加以控制。這種方法製得的雙極膜，即使工作相當長時間後，也不會在兩膜層出現氣泡或液泡，兩膜層不會分離，離子交換基團基本不會損失。

一膜層在另一膜層上電沉積成型法

這種製備方法的基本過程是將離子交換膜組裝在電解槽中，電解液里懸浮電性相反的離子交換樹脂粉末，通直流電使樹脂粒子沉積在膜的表面形成雙極膜。有研究者發現， 沉積在膜表面的樹脂粒吸著牢靠， 即使倒換電極方向或者通入濃鹽水，樹脂粒子也不會輕易脫落。