一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法及其設備的製造方法

2023-12-08 23:22:11 2

一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法及其設備的製造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法及其設備。
【背景技術】
[0002] 隨著工業技術的發展，離子交換膜工藝在海水和苦鹹水、汙水處理、化工行業、食 品和製藥行業、海水淡化等成功應用，使得離子交換膜在當今的發展中起著越來越重要的 角色。離子交換膜在許多領域中得到應用，例如電滲析、透析、反電滲析、膜電解、燃料電池 等。電滲析是一種從含水溶液體系中用以分離無機鹽、淡化水和處理廢水的電化學分離技 術，其在電勢梯度作為驅動力下從溶液中選擇性分離離子的和恢復施加的電膜過程。在電 驅動過程中，離子在電場的作用下經過離子交換膜從淡室迀向濃室。由於離子交換膜的高 的離子選擇性，其收到越來越多的關注和研究。對於離子交換膜，已經成為當前研究的一種 熱門的高性能膜材料，由中國膜工業協會編制的《中國膜行業"十三五"戰略發展規劃》中提 到，國家將把膜產業定位為戰略性新興產業結構，促進產業升級，其中高性能膜材料相關制 備技術是新型高效分離技術的核心，離子交換膜技術研究已經成為解決水資源、能源、環境 等領域的重大問題的重要方法，在促進我國國民經濟發展以及產業技術進步與增強國際競 爭力等方面發揮著重要作用。在電驅動膜分離過程中，膜的抗汙染性能是評估離子交換膜 重要的要素，也是離子交換膜在運用中不可忽視的難題。
[0003] 為了解決由膜被汙染帶來的問題，大量的抗汙染性物質被發現以及應用。多巴胺 在氧氣接觸中能夠性能聚多巴胺層，其具有優異的抗汙染性能成為當前解決膜被汙染的熱 門物質。多巴胺曾發現於腦內，並經證實在腦內幫助細胞傳送神經遞質，與諸多人類情緒有 關，後發現於海洋貽貝的分泌物中，具有很強生物粘性。正是由於這種物質的存在，使自然 界中的生物粘合現象在水溶液條件下，它能在有氧環境下下發生自聚反應，形成強力附著 於幾乎所有固體材料表面的聚多巴胺薄層，並且不易脫落。膜材料是膜技術的核心，在此基 礎上，近年來膜技術研究人員通過多巴胺在基膜上的自聚反應，對膜進行表面改性，並在多 巴胺層上進一步修飾，實現膜功能的改良與優化。在膜改性過程中，如何將多巴胺均勻、快 速聚沉到膜表面，並且方便進一步的改性過程的順利實施成為不可忽略的問題。

【發明內容】

[0004] 本發明針對目前的離子交換膜表面的修飾時附著物容易脫落、厚度不均一的問 題，提出了一種不易脫落、附著效果好並且厚度均一、條件溫和的帶聚多巴胺層的離子交換 膜製備方法及其設備。
[0005] 本發明所述的一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法，包括如下步驟：
[0006] 1)安裝待改性離子交換膜:將待改性的陰離子交換膜或陽離子交換膜安裝在料液 室兩側的通孔處，保持離子交換膜的內側面與料液室內腔連通；
[0007] 2)配置多巴胺溶液:將多巴胺溶於pH為8.5的濃度為1〇111111〇1/1的1^ 8-!1(：1溶液中 配成多巴胺溶液，其中所述的多巴胺與所述的Tris-HCl溶液的質量體積比為20:1;
[0008] 3)製備聚多巴胺層:將lOOmL多巴胺溶液加入料液室後攪拌，在22°C條件下反應3-4h，反應同時始終在待改性的離子交換膜外側布氣，保持離子交換膜的外側面始終存在均 勻連續的氣模，使得離子交換膜的表面形成均勻的聚多巴胺層，其中攪拌速度為100-150r/ min;通氣速度為6-10m/s;
[0009] 4)清洗去雜:沉積反應結束後，迅速倒掉多巴胺溶液，並倒入去離子水，去除聚多 巴胺層表面的雜質以及殘留的未反應的多巴胺溶液，調高攪拌器轉速，為300-400r/min;
[0010] 5)製備帶聚多巴胺層的改性離子交換膜:停止震蕩，取下改性後的離子交換膜，室 溫下置於純水中浸泡保存，即可得帶聚多巴胺層的改性離子交換膜。
[0011] 步驟3)的攪拌速度為100r/min。
[0012] 步驟3)的反應溫度為22°C。
[0013] 根據本發明所述的製備方法構建的設備，其特徵在於:包括第一通氣室、料液室、 第二通氣室、電動攪拌器和輸氣慄，所述的第一通氣室、料液室和第二通氣室通過長螺杆固 接形成密封的三室結構，其中所述的料液室夾在所述的第一通氣室和所述的第二通氣室之 間;所述的料液室的兩側面設有與料液室內腔連通的通孔，所述的通孔處安裝離子交換膜； 所述的第一通氣室的內側面和所述的第二通氣室的內側面分別設有與料液室同側面通孔 對應的通氣孔，所述的第一通氣室的進氣口、所述的第二通氣室的進氣口分別與所述的輸 氣慄的出氣口管路連通;所述的電動攪拌器的攪拌槳伸入所述的料液室的內腔。
[0014] 所述的通孔邊緣配有用於密封的第一橡膠圈，通孔周向的凹槽內配有用於密封的 第二橡膠圈。
[0015] 所述的第一通氣室頂部設有與第一通氣室連通的第一排氣口。
[0016] 所述的第二通氣室頂部設有與第二通氣室連通的第二排氣口。
[0017] 本發明的有益效果是：（1)用於離子交換膜表面形成單面聚合聚多巴胺層；（2)有 效降低離子交換膜電阻；（3)同時發明的設備能夠控制形成的聚多巴胺層厚度以及消除多 巴胺在溶液中的自我聚合而造成的損失，該方法條件溫和，反應可控。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明在離子交換膜表面形成聚多巴胺層的裝置系統流程圖；
[0019] 圖2是本發明的料液室端面圖；
[0020] 圖3是本發明形成聚多巴胺層裝置主要部件圖；
[0021 ]圖4是本發明形成聚多巴胺層的裝置系統過程示意圖； 圖5是本發明對表面活性劑的抗汙染效果圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖進一步說明本發明 [0023] 參照附圖：
[0024]實施例1本發明所述的一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法，包括如下步 驟：
[0025] 1)安裝待改性離子交換膜:將待改性的陰離子交換膜或陽離子交換膜安裝在料液 室兩側的通孔處，保持離子交換膜的內側面與料液室內腔連通；
[0026] 2)配置多巴胺溶液:將0.2g多巴胺溶於lOOmL pH為8.5的濃度為10mmOl/L的TriS-HCl溶液中配成多巴胺溶液，其中所述的多巴胺與所述的T riS-HCl溶液的質量體積比為20: 1；
[0027] 3)製備聚多巴胺層：將lOOmL多巴胺溶液加入料液室後攪拌，在22°C條件下反應 lh，反應同時始終在待改性的離子交換膜外側布氣，保持離子交換膜的外側面始終存在均 勻連續的氣模，使得離子交換膜的表面形成均勻的聚多巴胺層，其中攪拌速度為l〇〇r/min; 通氣速度為6-10m/s;
[0028] 4)清洗去雜:沉積反應結束後，迅速倒掉多巴胺溶液，並倒入去離子水，去除聚多 巴胺層表面的雜質以及殘留的未反應的多巴胺溶液，調高攪拌器轉速，為300r/min;
[0029] 5)製備帶聚多巴胺層的改性離子交換膜:停止震蕩，取下改性後的離子交換膜，室 溫下置於純水中浸泡24h後保存，即可得帶聚多巴胺層的改性離子交換膜。
[0030] 步驟3)的攪拌速度為100r/min。
[0031] 步驟3)的反應溫度為22°C。
[0032] 實施例2根據本發明所述的製備方法構建的設備，包括第一通氣室1、料液室2、第 二通氣室3、電動攪拌器4和輸氣慄5,所述的第一通氣室1、料液室2和第二通氣室3通過長螺 杆固接形成密封的三室結構，其中所述的料液室2夾在所述的第一通氣室1和所述的第二通 氣室3之間；所述的料液室2的兩側面設有與料液室內腔連通的通孔21，所述的通孔21處安 裝離子交換膜6;所述的第一通氣室1的內側面和所述的第二通氣室3的內側面分別設有與 料液室2同側面通孔對應的通氣孔，所述的第一通氣室1的第一進氣口 11、所述的第二通氣 室3的第二進氣口 31分別與所述的輸氣慄5的出氣口管路連通;所述的電動攪拌器4的攪拌 槳41伸入所述的料液室2的內腔。
[0033] 所述的通孔21邊緣配有用於密封的第一橡膠圈22,通孔周向的凹槽內配有用於密 封的第二橡膠圈23。
[0034] 所述的第一通氣室1頂部設有與第一通氣室連通的第一排氣口 12。
[0035] 所述的第二通氣室3頂部設有與第二通氣室連通的第二排氣口 32。
[0036] 所述的第一通氣室、第二通氣室以及所述的料液室為方形結構，並且第一通氣室、 第二通氣室以及所述的料液室四個頂角處配有用於安裝長螺杆的安裝孔24。
[0037]所述的電動攪拌器4上配有調速旋鈕42和開關按鈕43。
[0038]實施例3控制攪拌器的旋動速度對多巴胺沉積的影響
[0039]按照實施例1中所述的一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法，多巴胺溶液在 離子交換膜表面形成聚多巴胺層的過程中，分別控制攪拌器的轉速為20r/min、50r/min、 100r/min、200r/min、400r/min。沉積4h後，通過比較聚多巴胺表面的黑色顆粒物質(該物質 是多巴胺溶液自聚合形成的聚多巴胺顆粒雜質，現象1)、聚多巴胺形成的顏色暗度(顏色越 深，表明形成的聚多巴胺層越厚，現象2)以及觀察聚多巴胺表層在離子交換膜表面形成的 均勻性(通過觀察在離子交換膜表面形成的聚多巴胺層顏色是否均一，現象3)情況，從而 得出攪拌器的旋動速度在離子交換膜表面形成聚多巴胺層的最佳轉速範圍。
[0040]

[0041] 實施例4控制形成聚多巴胺層的時間對多巴胺沉積的影響
[0042]按照實施例1中所述的一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法，多巴胺溶液在 離子交換膜表面形成聚多巴胺層的過程中，分別控制多巴胺溶液沉積的時間為2h、3h、4h、 5h、6h，控制攪拌器的轉速為100r/min。通過比較聚多巴胺形成的顏色暗度(顏色越深，表明 形成的聚多巴胺層越厚，現象1)以及觀察聚多巴胺表層在離子交換膜表面形成的均勻性 (通過觀察在離子交換膜表面形成的聚多巴胺層顏色是否均一，現象2)情況，從而得出多巴 胺溶液沉積的時間在離子交換膜表面形成聚多巴胺層的最佳時間範圍。
[0043]

[0045] 實施例5對於製備的改性離子交換膜抗汙染性能測試
[0046] 本實施例5主要將經過聚多巴胺層改性後的離子交換膜放在含有高濃度汙染物質 的電滲析過程中，通過測定在不同時間段內膜電阻的增加值，從而可以得出離子交換膜的 抗汙染性能。以商業化的均相陰離子交換膜(富士公司，日本)為例，將經過聚多巴胺改性的 陰離子交換膜放置於電滲析設備中，以十二烷基苯磺酸鈉作為汙染物放入電滲析的一個隔 室中，聚多巴胺層改性的陰離子交換膜一側為含有十二烷基苯磺酸鈉隔室，在電滲析過程 中，在不同時間段內，通過比較膜相對初始狀態的電阻，從而評價其抗汙染性能。通過比較 原膜與經過聚多巴胺改性後的膜的電阻增加值可以得出，在30min內，未改性的陰離子交換 膜的電阻增加了 1.95 Ω /cm2而經過改性後的膜面電阻增加值接近於0.08 Ω /cm2;通過比較 210min的膜面電阻增加值可以得出，經過聚多巴胺改性的陰離子交換膜具有良好的抗汙染 性能。
[0047] 本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護 範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術 人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
【主權項】
1. 一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法，包括如下步驟： 1) 安裝待改性離子交換膜:將待改性的陰離子交換膜或陽離子交換膜安裝在料液室兩 側的通孔處，保持離子交換膜的內側面與料液室內腔連通； 2) 配置多巴胺溶液:將多巴胺溶於pH為8.5的濃度為1 Ommo 1 /L的Tr i s-HCl溶液中配成 多巴胺溶液，其中所述的多巴胺與所述的Tris-HCl溶液的質量體積比為20:1; 3) 製備聚多巴胺層:將100mL多巴胺溶液加入料液室後攪拌，在室溫條件下反應3-4h， 反應同時始終在待改性的離子交換膜外側布氣，保持離子交換膜的外側面始終存在均勻連 續的氣模，使得離子交換膜的表面形成均勻的聚多巴胺層，其中攪拌速度為100-150r/min; 通氣速度為6-10m/s; 4) 清洗去雜:沉積反應結束後，迅速倒掉多巴胺溶液，並倒入去離子水，去除聚多巴胺 層表面的雜質以及殘留的未反應的多巴胺溶液，調高攪拌器轉速，為300-400r/min; 5) 製備帶聚多巴胺層的改性離子交換膜:停止攪拌轉動，取下改性後的離子交換膜，室 溫下置於純水中浸泡保存，即可得帶聚多巴胺層的改性離子交換膜。2. 如權利要求1所述的一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法，其特徵在於:步驟3) 的攪拌速度為l〇〇r/min。3. 如權利要求1所述的一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法，其特徵在於:步驟3) 的反應溫度為22 °C。4. 根據權利要求1所述的製備方法構建的設備，其特徵在於:包括第一通氣室、料液室、 第二通氣室、電動攪拌器和輸氣慄，所述的第一通氣室、料液室和第二通氣室通過長螺杆固 接形成密封的三室結構，其中所述的料液室夾在所述的第一通氣室和所述的第二通氣室之 間;所述的料液室的兩側面設有與料液室內腔連通的通孔，所述的通孔處安裝離子交換膜； 所述的第一通氣室的內側面和所述的第二通氣室的內側面分別設有與料液室同側面通孔 對應的通氣孔，所述的第一通氣室的進氣口、所述的第二通氣室的進氣口分別與所述的輸 氣慄的出氣口管路連通;所述的電動攪拌器的攪拌槳伸入所述的料液室的內腔。5. 如權利要求4所述的用於在離子交換膜表面形成聚多巴胺層的設備，其特徵在於:所 述的通孔邊緣配有用於密封的第一橡膠圈，通孔周向的凹槽內配有用於密封的第二橡膠 圈。6. 如權利要求4所述的用於在離子交換膜表面形成聚多巴胺層的設備，其特徵在於:所 述的第一通氣室頂部設有與第一通氣室連通的第一排氣口。7. 如權利要求4所述的用於在離子交換膜表面形成聚多巴胺層的設備，其特徵在於:所 述的第二通氣室頂部設有與第二通氣室連通的第二排氣口。
【專利摘要】一種帶聚多巴胺層的離子交換膜製備方法及其設備，所述的方法包括：將離子交換膜固定在裝有多巴胺溶液的設備中，配置多巴胺溶液，製備聚多巴胺層，製備帶聚多巴胺層的改性離子交換膜；所述的設備包括第一通氣室、料液室、第二通氣室、電動攪拌器和輸氣泵，第一通氣室、料液室和第二通氣室固接形成密封的三室結構；料液室的兩側面設有與料液室內腔連通的通孔，通孔處安裝離子交換膜；第一通氣室的進氣口、第二通氣室的進氣口分別與輸氣泵的出氣口管路連通；電動攪拌器的攪拌槳伸入料液室的內腔。本發明技術有益效果是：有效降低離子交換膜電阻；能夠控制形成的聚多巴胺層厚度以及消除多巴胺在溶液中的自我聚合而造成的損失，條件溫和,反應可控。
【IPC分類】B01D69/02, B01D67/00
【公開號】CN105709607
【申請號】CN201610124160
【發明人】沈江南, 趙嚴, 董祥, 柳慧敏, 湯愷妮
【申請人】浙江工業大學