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《全氟磺酸离子膜的结构与应用研究进展_郎万中.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第25卷第6期膜科学与技术Vol.25No.62005年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYDec.2005文章编号:1007-8924(2005)06-0069-06全氟磺酸离子膜的结构与应用研究进展*郎万中许振良(华东理工大学化学工程研究所,上海,200237)摘要:简述了全氟磺酸离子交换膜(PFSIEM)的分子结构和微观结构模型,特别是全氟磺酸离子交换树脂(PFSIER)的三相结构、/三明治0模型及/离子簇网络结构0模型等;重点论述了PFSIEM在氯碱电解、燃料电池、渗透汽化、气体分离及光催化等领域中的应用和研究进展;提出了PFSIEM应用与研究开发的
2、方向.关键词:全氟磺酸;离子膜;氯碱;燃料电池;渗透汽化中图分类号:TQ028.8;TQ114.262.3文献标识码:近30多年来,全氟磺酸离子交换膜(perfluoro-相对较短,见图1(2).本文讨论了PFSIEM的分sulfonateion-exchangedmembrane,PFSIEM)一直子结构和微观模型,其次综述PFSIEM在氯碱电是国内外研究人员的热点课题之一.PFSIEM是以解、燃料电池、渗透汽化、气体分离及光催化等领域聚四氟乙烯结构为骨架,末端带有磺酸根的烯醚结中的应用及进展,展望了PFSIEM的应用研究方构为侧链的全氟聚合物,它具有良好的化学稳定性向.和热稳定性
3、,是很好的离子交换载体,因而PFSIEM1PFSIEM的结构及其微观模型已广泛的用于氯碱、燃料电池、各种膜过程等领域.在20世纪60年代初首先由美国杜邦(Dupont)开许多研究人员用SAXS(smallangelX-raysTM[1]发成功PFSIEM(Dupont注册其为Nafion),其scatters)等方法对于PFSIEM的微观结构进行了广结构式如图1(1).日本旭化成(ASAHIChem.)和日泛的研究,现在得到大家认可的是其离子簇和氟碳[(CF2CF2)n(CF2CF)]骨架结构.在此基础上,对PFSIEM微观结构体提[2][3](OCF2CF)mOCF2CF2SO2F
4、出了不同的模型.Haubold等利用SAXS原位CF3分析法分析了甲醇-水体系中Nafion膜的微观结(1)构,认为PFSIER是由疏水性的氟碳骨架和带有亲[(CF2CF2)m(CF2CH)]n水性磺酸基团组成(图2),并提出了PFSIEM的/三明治0微观结构模型(图3),即由两个全氟磺酸单元OCF2CF2SO3H(2)组成两边的外层,中间形成水-甲醇或离子通道,水图1全氟磺酸离子交换树脂分子结构-甲醇或离子通过全氟磺酸膜的复杂通道就由这些[4][5]Fig.1MolecularstructureofPFSIER简单的单元组成(图4).Hsu和Lee等人提出了本旭硝子(ASAHIGl
5、ass)随后开发了与其相同结构离子簇网络模型(图5),即水溶胀后的PFSIEM微的全氟磺酸树脂(perfluorosulfonateion-exchanged观结构为球形离子簇陷嵌在氟碳的骨架当中,球形resin,PFSIER).美国陶氏公司(Dow)在实验室也研离子簇由小的通道连通,离子或水分子即通过小的制了与其结构相似的产品,只是其烯醚结构的侧链通道通过离子簇来达到导电性目的.但是,不同研究收稿日期:2004-04-08;修改稿收到日期:2004-06-09基金项目:上海市重点学科科研基金资助作者简介:郎万中(1975-),男,江苏省淮安市,博士研究生,主要从事膜分离技术的研究工
6、作.*通讯联系人,电话:021-64252989.#70#膜科学与技术第25卷人员对模型的离子簇直径及离子簇之间距离的研究[5]结果有所差异.Lee认为离子簇的直径在1.85nm左右,两个球形簇间的平均距离在7nm左右,而[6]Gebel和Lambard认为,离子簇的半径为1.98nm,球形离子簇间的平均距离为4.22nm.有关PF-[2,7]SIEM的微观模型的研究报道很多.2PFSIEM在氯碱电解中的应用图2全氟磺酸树脂的三相结构离子膜法制碱是PFSIEM应用最早,是工业化Fig.2/Three-phase0structureofPSFIERresin技术最成熟的领域.目前能够生
7、产氯碱电解用的离子膜有美国杜邦(Dupont)的N900-TX系列及N2000-TX系列、日本旭化成(ASAHI)的F4000系[2,8,9]列和日本旭硝子(ASAHIGlass)的F800系列.离子膜法制碱与传统的石棉隔膜法和水银法相比具[10]有以下优点:总能耗低,不用水银、石棉等易污染环境的物质,可以同水银法一样制得高纯烧碱,操作运转方便,投资比隔膜法要小.PFSIEM电解制碱基本原理如图6所示,PFSIEM(一般为全氟磺酸与全氟羧酸离子复合膜)把阴
