高性能的阴离子交换膜及其制造方法
【技术领域】
[0001]各个方面通常涉及阴离子交换膜，并且更特别地涉及具有增强的电化学性质的阴 离子交换膜。
[0002] 概述
[0003]根据一个或更多个方面，制造阴离子交换膜的方法可以包括：将叔胺单体与季铵 化试剂混合以产生官能单体；将交联剂和溶剂与官能单体混合以形成单体溶液；和将单体 溶液浇铸在聚合物微孔基材上以形成阴离子交换膜。
[0004] 根据一个或更多个方面，阴离子交换膜可以包括聚合物微孔基材和基材上的交联 的阴离子交换聚合物层，膜具有小于约1. 5欧姆-cm2的电阻率和至少约95%的表观选择渗 透性。
[0005]根据一个或更多个方面，电化学分离装置可以包括：至少一个阴离子交换膜，其具 有小于约1. 5欧姆-cm2的电阻率和至少约95%的表观选择渗透性。
[0006]下文详细讨论还其他方面、实施方案、和这些示例性方面和实施方案的优点。本文 公开的实施方案可以以与本文公开的原则中的至少一个一致的任何方式与其他实施方案 组合，并且提到的"实施方案"、"某些实施方案"、"可选择的实施方案"、"多个实施方案"、"一 个实施方案"或类似物不一定是互相排斥的且被意图指示：在至少一个实施方案中可以包 含描述的特定的特征、结构、或特性。在本文中这样的术语的出现不一定全部指的是相同的 实施方案。
[0007] 附图简述
[0008]参考不被意图按比例绘制的附图，下文讨论至少一个实施方案的多个方面。附图 被包括以提供多个方面和实施方案的例证和另外的理解，且被包括在本说明书中并且组成 本说明书的一部分，但不被意图作为本发明的限制的定义。在附图、详细描述或任何权利要 求中的技术特征后面是参考符号的情况下，参考符号被包括用于增加附图和描述的可理解 性的唯一目的。在附图中，由相同的数字代表在多个附图中例证的每个相同的或几乎相同 的部件。为了清楚的目的，可以不在每个图中标记每个部件。在附图中：
[0009] 图1呈现根据一个或更多个伴随的实施例使用的电化学测试单元的示意图。
[0010] 图2呈现图1的电化学测试单元的电极的示意图。
[0011] 详细描述
[0012]使用电场来净化流体的装置通常用于处理含有溶解的离子物质的水和其他液体。 以这种方式处理水的两种类型的装置是电去离子装置和电渗析装置。通过离子交换膜分开 的浓缩隔室和稀释隔室在这些装置内。电渗析装置通常包含交替的电活性的半渗透性阴离 子和阳离子交换膜。介于膜之间的空间被配置成产生具有进口和出口的液体流动隔室。经 由电极施加的应用电场引起被吸引至其相应的对电极的溶解的离子迁移通过阴离子和阳 离子交换膜。这通常导致稀释隔室中的液体耗尽离子并且浓缩隔室中的液体富集被转移的 离子。
[0013] 电去离子（EDI)是使用电活性介质和电势从水中除去或至少减少一种或更多种 电离的或可电离的物质以影响离子传输的工艺。电活性介质通常用于交替地收集和排放离 子的和/或可电离的物质，并且在某些情况下，用于促进可以连续地通过离子或电子替代 机制的离子传输。EDI装置可以包括具有永久或临时的电荷的电化学活性介质，并且可以分 批、间歇地、连续地、和/或甚至以反极性模式操作。可以操作EDI装置以促进被特别设计 成实现或增强性能的一个或更多个电化学反应。此外，这样的电化学装置可以包括电活性 膜，比如半渗透性或选择性渗透性离子交换膜或双极性膜。
[0014] 连续电去离子（CEDI)装置是本领域的技术人员已知的EDI装置，CEDI装置以 其中可以连续地进行水的净化同时连续地再填充离子交换材料的方式操作。CEDI技术可 以包括诸如连续的去离子、填充电池电渗析（filled cell electrodialysis)、或电渗透 (electrodiaresis)的工艺。在控制的电压和盐度条件下，在CEDI系统中，可以将水分子裂 解以产生氢或水合氢离子或物质和氢氧化物或羟基离子或物质，这可以使装置中的离子交 换介质再生并且因此促进从其中释放捕获的物质。以这种方式，可以连续地净化待被处理 的水流而不需要化学再填充离子交换树脂。
[0015] 除了 ED装置通常不含有介于膜之间的电活性介质之外，电渗析（ED)装置以类似 于CEDI的原理操作。由于没有电活性介质，ED在低盐度的给水上的操作可能受阻碍（因 为高的电阻）。此外，因为ED对高盐度给水的操作可以导致高的电流消耗量，迄今为止，ED 设备一直被最有效地用在中间盐度的源水上。在基于ED的系统中，因为没有电活性介质， 裂解水是效率低的，并且通常避免以这样的方案操作。
[0016] 在CEDI和ED装置中，通常通过选择性渗透膜将多个相邻的单元或隔室分开，所述 选择性渗透膜允许带正电荷的物质或带负电荷的物质通过但通常不允许两者都通过。在这 样的装置中，通常用浓缩（concentrating)或浓缩（concentration)隔室隔开稀释隔室或 消耗隔室。在某些实施方案中，电池对可以指的是一对相邻的浓缩隔室和稀释隔室。随着水 流经消耗隔室，通常在电场比如DC场的影响下将离子和其他带电物质吸引到浓缩隔室内。 带正电荷的物质被吸引向通常位于多个消耗隔室和浓缩隔室堆叠的一端的阴极，并且同样 地，带负电荷的物质被吸引向这样的装置的通常位于隔室堆叠的相对端的阳极。通常将电 极容纳在电解质隔室内，通常使所述电解质隔室与消耗隔室和/或浓缩隔室流体连通地部 分地分离。一旦在浓缩隔室内，带电物质通常通过至少部分地界定浓缩隔室的选择性渗透 膜的屏障被捕获。例如，通常通过阳离子选择性膜防止阴离子另外向阴极迁移，离开浓缩隔 室。在被捕获在浓缩隔室内后，可以在浓缩物流中除去捕获的带电物质。
[0017] 在CEDI和ED装置中，通常从被应用于电极（阳极或正极，和阴极或负极）的电压 和电流的来源将DC场应用于电池。电压和电流的来源（共同地为"电源"）自身可以通过 多种手段驱动，比如AC电源，或例如，来源于太阳能、风能、或波浪能的电源。在电极/液体 界面处，发生引发和/或促进离子转移通过膜和隔室的电化学半电池反应。可以通过容纳 电极组件的专门隔室内的盐的浓度，在某种程度上控制在电极/界面处发生的特定的电化 学反应。例如，对高氯化钠的阳极电解质隔室供给将倾向于产生氯气和氢离子，然而对阴极 电解质隔室的这样的供给将倾向于产生氢气和氢氧化物离子。通常，在阳极隔室处产生的 氢离子将与游离的阴离子比如氯离子缔合，以保持电荷中性并且产生盐酸溶液，并且类似 地，在阴极隔室处产生的氢氧化物离子将与游离的阳离子比如钠缔合，以保持电荷中性并 且产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物比如产生的氯气和氢氧化钠可以被用于如消毒 目的、膜清洁和除污目的、和pH调节目的所需要的工艺。
[0018]板和框架以及螺旋卷绕的设计一直被用于多种类型的电化学去离子装置，包括但 不限于电渗析（ED)装置和电去离子（EDI)装置）。市售的ED装置通常具有板和框架的设 计，然而EDI装置是以板和框架以及螺旋构造两者可用的。
[0019]一个或更多个实施方案涉及可以被用于电气地净化流体的装置的离子交换膜的 组成、以及其制造方法和用途。
[0020] 电化学分离系统用于产生用于制药工业和半导体工业的超纯水，用作反向电渗析 中的发电来源，用作燃料电池中的隔离物，用于在电镀和金属精整加工工业中回收金属离 子，并且用于包括食品和饮料工业的多种其他应用中。然而，在离子交换膜的最重要的应用 之中的是通过电化学方法使海水脱盐。
[0021] 传统上通过压力驱动方法使海水脱盐，并且最通常地通过反渗透完成。然而，海水 反渗透需要大量地预处理给水且是能源密集型工艺。因为需要较少的预处理，电化学脱盐 具有优于反渗透的优点。虽然电化学方法经常用于处理半咸水和废水，但仍然认为电化学 方法对于海水脱盐是成本太高的。
[0022] 海水具有约35, 000百万分率（ppm)的总溶解固体含量。海水中的大多数溶解的 固体是氯化钠，并且因此处理海水主要地涉及除去单价离子。然而，反渗透膜通常优先地除 去二价离子并且因此在处理海水上比选择性地除去单价离子的膜是更少有效的。因为单价 选择性膜可以被用于处理海水，电化学脱盐可以具有优于反渗透脱盐的优点。
[0023] 可以将离子交换膜制造成是离子选择性的。例如，可以从特定的前体制造膜，使得 产生的膜优先地从处理水中除去某些离子。某些工业需要具有特别低的浓度的特定离子的 水。例如，用于炼油厂商业的注水必须具有非常低的硫酸盐值，并且半导体和制药工业需要 具有非常低的浓度的硼和二氧化硅的超纯水。因此，制造离子选择性膜是高度合意