专利名称：电化学合成五氧化二氮用的隔膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电化学合成五氧化二氮用的隔膜及其制备方法。属于五氧化二氮制备技术领域。
背景技术：
电化学合成N2O5过程中，隔膜主要起选择渗透特定离子和分子的作用，并且它的性能直接影响电解的电流效率和比能等性能指标。在电化学合成队05过程中，Zawadski等人(Roznicki chemii, 1948,22 =233-247)采用多孔陶瓷做隔膜进行了队05的合成，在电解过程中虽然电流效率能达到35%，但比能却高达5kWh/Kg N2O5，不适于节能与工业应用；Harrar 等人(J. Electrochem. Soc, 1997，144(6) :2032-2044.)报道了采用多孔玻璃作为隔膜进行队05的合成，电流效率达到65%，但这种薄片状的玻璃易损坏，不适于工业放大；专利US6200456, 5181996，5120408 和 Harrar 等人(J. Electrochem. Soc, 1983， 130(1) :108-112 J. Electrochem. Soc, 1997,144(6) :2032-2044.)报道了采用阳离子膜作为隔膜材料进行N2O5的合成，使用阳离子交换膜时比能1. lkffh/Kg N2O5，但由于阳离子交换膜有利于NO2+和NO+的渗透，促进了阳极所生成的N205向阴极的迁移，因而电解效果不佳， 同时阳离子交换膜价格高在该体系中寿命较短，对于大规模工业应用不利；专利US62OO456 和 Harrar 等人(J. Electrochem. Soc, 1997,144 (6) :2032-2044.) 报道了采用Raipore阴离子膜作为隔膜材料进行队05的合成，其比能1. 0 1. 7kffh/Kg N2O5，电流效率达到50 70%，但由于有较强亲水性，阴离子交换膜不能有效地阻止水的渗透影响电解效果以及电解初期阳极队04向阴极的渗透和电解后期阴极队04向阳极的迁移从而导致的电解时间的延长、能耗的增加，而且阴离子膜价格高，在该体系中稳定性较差，不利于大规模工业应用；专利US6200456, 5181996，5120408 和 Harrar 等人(J. Electrochem. Soc, 1983， 130(1) :108-112 J. Electrochem. Soc, 1997,144(6) :2032-2044.)报道了经过无机物掺杂后的多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜，多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜的亲水性得到提高，膜电阻降低，虽然亲水性的提高降低了多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜的阻水性能从而在一定程度上影响了电解效果，但掺杂无机颗粒后的PTFE和阴离子膜相比，不但有着相似的电化学性能， 比能1.2 2. lkffh/Kg N2O5，电流效率达到57 72%，而且由于N2O4透过量低，其电解时间相对于阴离子膜较短，同时多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜膜价格低、化学耐性强、使用寿命较阴离子膜长。由上可知，目前在电化学合成队05的过程中所采用的隔膜中，经过无机物掺杂所形成多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜-无机物杂化膜的工业应用前景较好，但是现有专利和文献中关于应用于电化学合成N2O5的过程中的多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜-无机物杂化膜的电流效率与理论值还有很大的差距，这严重制约了电化学合成N2O5技术工业化进程。
发明内容
本发明的目的是提供了一种电化学合成五氧化二氮用的隔膜及其制备方法，所述的隔膜具有的膜电阻低、阻水性能高和电流效率高的特点；其制备条件温和、生产成本低及易于工业化。本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种电化学合成五氧化二氮用的隔膜，其特征在于，该隔膜由多孔聚四氟乙烯(PTFE)基膜及所负载的高氟化离子交换树脂(Nafion)和SiO2的形成的膜再与膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜复合而成，厚度为80 120 μ m0上述的多孔聚四氟乙烯基膜，其膜孔径为0. 1 μ m，孔隙率为55%，厚度为0.06mm。上述的多孔聚四氟乙烯基膜所负载的高氟化离子交换树脂(Nafion)质量为多孔聚四氟乙烯基膜干重的1 5%，所负载的SiA质量为负载高氟化离子交换树脂(Nafion) 后的多孔聚四氟乙烯基膜干重的1 10%。上述的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜，其膜孔径40 lOOnm，厚度为10 30 μ m，开孔率90 98%的。制备上述的电化学合成五氧化二氮用的隔膜方法，其特征在于包括以下过程(1)将多孔聚四氟乙烯基膜置于温度50 70°C的丙酮中回流3 12h，而后浸渍在质量浓度98%硝酸中12 36h，取出后用去离子水反复冲洗直至洗出液pH值为7为止， 在60 120°温度下真空烘干1 4 得多孔聚四氟乙烯基膜干膜，确定该干膜质量后再将其放入去离子水中待用；(2)将步骤(1)处理的多孔聚四氟乙烯基膜浸入质量浓度5%的高氟化离子交换树脂(Nafion)溶液中6h 72h，取出后在60 120°C温度下真空干燥12h 48h，称重确定负载高氟化离子交换树脂(Nafion)的多孔聚四氟乙烯基膜的干重，将负载高氟化离子交换树脂(Nafion)的多孔聚四氟乙烯基膜置于去离子水溶胀M ^h，再置于0.5mol/L 的H2SO4溶液溶胀4 证，制得多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜，放入去离子水中待用；(3)将步骤(2)制得的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜浸入质量含量23. 5%、平均粒径30nm的SW2溶胶中浸泡Mi 80h，取出后在温度20 30°C晾干12 14h，然后在温度60 80°C的真空干燥箱干燥12 Mh，称重确定负载SiO2的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)基膜的干重，制得多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiO2膜；(4)将步骤(3)制得的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SW2膜与膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜在室温下，以压力为8 IOMI^a压合48 50h得到电化学合
成五氧化二氮用的隔膜。本发明提供的复合型隔膜较文献中所述多孔聚四氟乙烯膜的相比多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜负载高氟化离子交换树脂(Nafion)和SiO2后，使隔膜的疏水性得到降低同时隔膜电阻也得到降低。隔膜的阻水性能得到提高，使得在电解过程中从阴极透过膜向阳极渗透的水减少，由于水能与阳极所生成的N2O5的反应而造成N2O5的损失，因而降低水的跨膜渗透能有效地降低由水所造成的队05的损失。隔膜在电解过程中由于同时具备了较低的膜电阻和较高的阻水性能，使得在合理的比能下电流效率得到显著提升。隔膜实际应用中的比能与献报道值相当，达到1. 3 1. 6kffh/Kg N2O5，而电流效率却提升了 10%以上，可以达到90%以上。本发明提供的隔膜的制备方法的优点在于一是可以分别通过控制多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜在高氟化离子交换树脂(Nafion)溶液中的浸泡时间以及多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜在SiO2溶胶中的浸泡时间来调变高氟化离子交换树脂 (Nafion)在多孔聚四氟乙烯(PTFE)基膜上的负载量和SiO2在多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜上的负载量。隔膜的制备操作简单、方便、条件温和、生产成本低、 易于工业化应用。
图1实施例1为所制备的没有复合膨体聚四氟乙烯的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiO2膜的断面扫描隧道电子显微镜(SEM)图。
具体实施例方式下面的方式体现了本发明描述的过程，但本发明并不限于这些例子。过程中所用部分材料性能参数如下SiO2溶胶中SiO2含量23. 5wt%，平均粒径30nm;多孔聚四氟乙烯膜(商品号 BS01)，孔径为0. Ιμπι，孔隙率为55%，厚度为0.06mm;膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜分别为孔径40 50nm,厚度为20 30 μ m,开孔率90 98%的ePTFE-Ι膜和孔径90 IOOnm, 厚度为10 20 μ m，开孔率90 98 %的ePTFE-2膜。实施例11.多孔聚四氟乙烯膜采用购置的BSOl疏水性多孔聚四氟乙烯膜，该膜的尺寸 5cmX 5cm，孔径为0. 1 μ m，孔隙率为55 %，厚度为0. 06mm。将该基膜在温度60°C的丙酮中回流池，而后浸渍在质量浓度98%硝酸中Mh，取出后用去离子水冲洗直到洗出液pH值为 7为止，在80°C温度下真空烘干Mh。称重确定该干膜质量为0. 5397g。2.将处理好的BSOl疏水性多孔聚四氟乙烯膜浸入5wt%的高氟化离子交换树脂 (Nafion)溶液Mh，在80°C的真空烘箱中干燥20h，称重确定该干膜质量为0. 5580g，用去离子水溶胀Mh，再用0. 5mol/L的H2SO4溶液溶胀4h，得到的高氟化离子交换树脂(Nafion) 负载量为3. 4%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜。3.将多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜在SW2溶胶中浸泡Mh， 室温下晾干，然后在温度70°C的真空干燥箱烘干18h，称重确定该干膜质量为0. 5704g，制得SW2负载量为2. 3%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiA膜。4.将制备所得的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiO2膜与膨体聚四氟乙烯膜(ePTFE-Ι)，孔径40 50nm，厚度为20 30 μ m，开孔率90 98%，通过压片机的机械压合作用进行复合，压力为8MPa，压合时间为48h，所得到的膜为多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiO2-膨体聚四氟乙烯(ePTFE)隔膜。5.对隔膜进行电解性能测试，电解槽的有效工作面积7cm2，Ir02/Ti为阳极， Ru02-Ir02/Ti为阴极，向阴阳极储罐中各加入20ml98%的硝酸，往阳极储罐中加入N2O4，配置N2O4浓度为29. 4%的Ν204/ΗΝ03阳极初始液，而后用隔膜泵将阴阳极储罐中的溶液分别打
5入电解槽中的阴阳极室中，并使得电解液在电解槽和储罐之间循环流动，采用恒电压操作， 工作电压6V，操作温度为10°C，电解4小时后对阴阳极电解液进行滴定分析测试其溶液中的各组分的浓度。实验结果见表1。实施例2步骤1、2、3同实施例1 制备了高氟化离子交换树脂(Nafion)负载量为3. 3%， SiO2负载量为2. 2%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiA膜；步骤4与实施例1不同处改变膨体聚四氟乙烯膜为ePTFE-2型，孔径90 lOOnm，厚度为10 20 μ m，开孔率90 98 %，机械压合的压力为lOMPa，时间为50h，所制的的膜为多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiO2-膨体聚四氟乙烯(ePTFE) 隔膜；步骤5与实施例1不同处阳极初始液是N2O4浓度为28. 1 %的Ν204/ΗΝ03，工作电压为5. 5V。实验结果见表1。实施例3步骤1、2同实施例1 制备了高氟化离子交换树脂(Nafion)负载量为3. 5%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜；步骤3与实施例1不同处改变上述所制膜在SW2溶胶中浸泡的时间为12h，室温晾干，然后在60°C的烘箱真空干燥12h，称重确定该干膜质量，制得S^2负载量为1. 0%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SW2膜；步骤4同实施例1 制得的膜为多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂 (Nafion)-SiO2-膨体聚四氟乙烯(ePTFE)隔膜；步骤5与实施例1不同处阳极初始液是N2O4浓度为30. 1 %的Ν204/ΗΝ03，工作电压为4. 5V。实验结果见表1。实施例4步骤1、2同实施例1 制备了高氟化离子交换树脂(Nafion)负载量为3. 5%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜；步骤3与实施例1不同处改变上述所制膜在SW2溶胶中浸泡时间为4 室温晾干，然后在80°C的真空干燥箱烘干20h，称重确定该干膜质量，制得SW2负载量为4. 的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SW2膜；步骤4同实施例1 制得的膜为多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂 (Nafion)-SiO2-膨体聚四氟乙烯(ePTFE)隔膜；步骤5与实施例1不同处阳极初始液是N2O4浓度为29. 6 %的Ν204/ΗΝ03，工作电压为6V。实验结果见表1。实施例5步骤1、2同实施例1 制备了高氟化离子交换树脂(Nafion)负载量为3. 4%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜；步骤3与实施例1不同处改变上述所制膜在SW2溶胶中浸泡时间为7 室温晾干，然后在80°C的真空干燥箱烘干20h，称重确定该干膜质量，制得SW2负载量为8. 3%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SW2膜；步骤4同实施例1 制得的膜为多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂 (Nafion)-SiO2-膨体聚四氟乙烯(ePTFE)隔膜；步骤5与实施例1不同处阳极初始液是N2O4浓度为29. 6 %的Ν204/ΗΝ03，工作电压为6. 3V。实验结果见表1。实施例6步骤1同实施例1 ；步骤2与实施例1不同处改变上述所制多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜浸入5wt%的高氟化离子交换树脂(Nafion)溶液的时间为12h，在80°C的真空干燥箱烘干20h，称重确定该干膜质量，用蒸馏水溶胀Mh，再用0. 5mol/L的溶液溶胀他，得到的高氟化离子交换树脂(Nafion)负载量为1. 2%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜；步骤3、4同实施例1 制备了 SiO2负载量为2. 3%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiO2-膨体聚四氟乙烯(ePTFE)隔膜；步骤5与实施例1不同处阳极初始液是N2O4浓度为28. 9 %的Ν204/ΗΝ03，工作电压为7. 5V。实验结果见表1。实施例7步骤1同实施例1 ；步骤2与实施例1不同处改变上述所制多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜浸入5wt%的高氟化离子交换树脂(Nafion)溶液的时间为60h，在80°C的真空干燥箱烘干20h，称重确定该干膜质量，用蒸馏水溶胀Mh，再用0. 5mol/L的溶液溶胀他，得到的高氟化离子交换树脂(Nafion)负载量为4. 8%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)膜；步骤3、4同实施例1 制备了 SiO2负载量为2. 3%的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂(Nafion)-SiO2-膨体聚四氟乙烯(ePTFE)隔膜；步骤5与实施例1不同处阳极初始液是N2O4浓度为30. 1 %的Ν204/ΗΝ03，工作电压为3. 5V。实验结果见表1。表1为本发明实施例1-7所制得的隔膜在电解实验中的性能结果。表 权利要求
1.一种电化学合成五氧化二氮用的隔膜，其特征在于，该隔膜由多孔聚四氟乙烯基膜及所负载的高氟化离子交换树脂和S^2的形成的膜再与膨体聚四氟乙烯膜复合而成，厚度为 80 120 μ m。
2.按权利要求1所述的电化学合成五氧化二氮用的隔膜，其特征在于，多孔聚四氟乙烯基膜，其膜孔径为0. Ιμπι，孔隙率为55%，厚度为0. 06mm。
3.按权利要求1所述的电化学合成五氧化二氮用的隔膜，其特征在于，多孔聚四氟乙烯基膜所负载的高氟化离子交换树脂质量为多孔聚四氟乙烯基膜干重的1 5%，所负载的SiO2质量为负载高氟化离子交换树脂后的多孔聚四氟乙烯基膜干重的1 10%。
4.按权利要求1所述的电化学合成五氧化二氮用的隔膜，其特征在于，膨体聚四氟乙烯膜，其膜孔径40 lOOnm，厚度为10 30 μ m，开孔率90 98%。
5.一种制备权利要求1所述的电化学合成五氧化二氮用的隔膜方法，其特征在于包括以下过程(1)将多孔聚四氟乙烯基膜置于温度50 70°C的丙酮中回流3 12h，而后浸渍在质量浓度98%硝酸中12 36h，取出后用去离子水反复冲洗直至洗出液pH值为7为止，在 60 120°温度下真空烘干12h 4 得多孔聚四氟乙烯基膜的干膜，确定该干膜质量后再将其放入去离子水中待用；(2)将步骤(1)处理的多孔聚四氟乙烯基膜浸入质量浓度5%的高氟化离子交换树脂溶液中Mi 72h，取出后在60 120°C温度下真空干燥1 48h，称重确定负载高氟化离子交换树脂的多孔聚四氟乙烯基膜干重，将负载高氟化离子交换树脂的多孔聚四氟乙烯基膜于去离子水溶胀M ^h，再置于0. 5mol/L的H2SO4溶液溶胀4 5h，制得多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂膜，放入去离子水中待用；(3)将步骤(2)制得的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂膜浸入质量含量 23. 5%、平均粒径30nm的SW2溶胶中浸泡Mi 80h，取出后在温度20 30°C晾干12 14h，然后在温度60 80°C的真空干燥箱干燥12 Mh，称重确定负载SW2的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂基膜干重，制得多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂-SiO2 膜；(4)将步骤C3)制得的多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂-SiO2膜与膨体聚四氟乙烯膜在室温下，以压力为8 IOMPa压合48 50h得到电化学合成五氧化二氮用的隔膜。
全文摘要
本发明公开了一种电化学合成五氧化二氮用的隔膜及其制备方法。该隔膜由多孔聚四氟乙烯基膜及负载的高氟化离子交换树脂和SiO2的形成的膜再与膨体聚四氟乙烯膜复合而成，厚度为80～120μm。其制备过程多孔聚四氟乙烯基膜在浓硝酸中处理；经处理的基膜在高氟化离子交换树脂溶液中进行负载，负载高氟化离子交换树脂的基膜在SiO2溶胶中进行负载得多孔聚四氟乙烯-高氟化离子交换树脂-SiO2膜，该膜然后与膨体聚四氟乙烯膜压合，得到电化学合成五氧化二氮用的隔膜。本发明优点，所述的隔膜具有的膜电阻低、阻水性能高和电流效率高的特点；其制备条件温和、生产成本低及易于工业化。
文档编号C25B13/08GK102268690SQ20111015833
公开日2011年12月7日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者张香文, 柴静, 王庆法, 王莅, 章一夫 申请人:天津大学