反向電透析裝置用離子交換膜及包含它的反向電透析裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種反向電透析(reverse electrodialysis，RED)裝置用離子交換膜、其制備方法及包含上述離子交換膜的反向電透析裝置，該離子交換膜包括多孔性高分子基質(zhì)及被含入上述多孔性高分子基質(zhì)的氣孔的高分子電解質(zhì)，本發(fā)明的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜及陰離子交換膜憑借優(yōu)異的離子導(dǎo)電性盡量減少離子交換膜的膜電阻，從而得以顯著地提升反向電透析裝置的最大輸出密度，還因?yàn)榫哂袃?yōu)異的耐水性及耐熱性而得以穩(wěn)定地運(yùn)行反向電透析裝置。
【專(zhuān)利說(shuō)明】反向電透析裝置用離子交換膜及包含"S的反向電透析裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種反向電透析裝置用離子交換膜及包含它的反向電透析裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 有鑒于石油、煤炭之類(lèi)化石燃料的可能枯竭及使用化石燃料而發(fā)生的二氧化碳導(dǎo) 致地球溫室化等問(wèn)題，迫切需要開(kāi)發(fā)出可替代化石燃料的新能源。對(duì)此，目前正在全世界范 圍內(nèi)對(duì)太陽(yáng)熱、生物燃料、地?zé)帷L(fēng)力等各種新再生能源進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，但該類(lèi)能源在世界 能源消耗量中的比率依然低于10%。
[0003] 況且，作為替代化石燃料的有力候補(bǔ)能源的太陽(yáng)熱與風(fēng)力由于其能源生產(chǎn)受到周 邊氣候影響非常大而敏感，其能源生產(chǎn)的穩(wěn)定性是一大問(wèn)題，因此迫切需要開(kāi)發(fā)出沒(méi)有枯 竭顧慮并且能穩(wěn)定生產(chǎn)能源的環(huán)保型替代能源。
[0004] 基于該樣的觀點(diǎn)，基于反向電透析（RED ;reverse electrodialysis)的發(fā)電技術(shù) 受到了矚目，反向電透析是一種利用海水與淡水的鹽度差異發(fā)電的清凈能源技術(shù)，與通過(guò) 供電導(dǎo)致電解質(zhì)濃度差的一般電透析工序相反地，反向電透析利用電透析經(jīng)過(guò)淡水化的逆 向過(guò)程得到能量，其發(fā)電不必像風(fēng)力或太陽(yáng)能之類(lèi)的其它再生能源一樣受氣候及時(shí)間等的 影響。
[0005] 但，具備上述優(yōu)點(diǎn)的反向電透析系統(tǒng)卻因?yàn)槠鋬?nèi)部所含離子交換膜的昂貴價(jià)格而 延遲了商業(yè)化的腳步。
[0006] 因此為了實(shí)現(xiàn)反向電透析技術(shù)的商業(yè)化，迫切需要開(kāi)發(fā)出盡量減少反向電透析系 統(tǒng)的內(nèi)部積累（stack)電阻、大幅提高總電力生產(chǎn)并且電阻系數(shù)低于現(xiàn)有商用離子交換膜 而得W顯著地提升電力密度的離子交換膜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 解決的技術(shù)課題
[0008] 本發(fā)明需要解決的技術(shù)課題是提供一種陽(yáng)離子交換膜及陰離子交換膜及其制備 方法、包含上述陽(yáng)離子交換膜及/或陰離子交換膜的反向電透析裝置，本發(fā)明由于離子導(dǎo) 電性?xún)?yōu)異而適用于反向電透析系統(tǒng)時(shí)能讓電力生產(chǎn)相比現(xiàn)有商用離子交換膜顯著地提升， 還因?yàn)榫哂袃?yōu)異耐水性及耐熱性而得W穩(wěn)定地運(yùn)行反向電透析裝置。
[0009] 解決課題的技術(shù)方案
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)前述技術(shù)課題，本發(fā)明提供一種反向電透析觸D jeverse electrodialysis)裝置用陽(yáng)離子交換膜，其包括；多孔性高分子基質(zhì)；及高分子電解質(zhì)，被 含入上述多孔性高分子基質(zhì)的氣孔。
[0011] 而且，本發(fā)明所提供的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于，上述多孔性 高分子基質(zhì)是空隙體積為30?70%、氣孔尺寸為0. 05?0. 1 y m、厚度為10-55 y m的多孔 性碳化氨系膜。
[0012] 而且，本發(fā)明所提供的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于，上述高分子 電解質(zhì)在，含有含賴(lài)酸基單體、丙帰醜胺系交聯(lián)劑及引發(fā)劑的溶液臺(tái)浸潰上述多孔性高分 子基質(zhì)后交聯(lián)聚合而形成的。
[0013] 而且，本發(fā)明所提供的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于，上述含賴(lài)酸 基單體是含賴(lài)酸無(wú)水（anhy化OUS)液相單體或具備賴(lài)酸基的丙帰酸鹽系單體。
[0014] 而且，本發(fā)明所提供的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于，上述丙帰醜 胺系交聯(lián)劑選自N, N' -己帰基雙丙帰醜胺巧th^enebisac巧lamide)、N, N' -亞甲基雙丙帰 醜胺、N，N' -亞甲基雙甲基丙帰醜胺及N，N' -雙丙帰醜基脈嗦所形成的群中的1種W上。
[0015] 而且，本發(fā)明所提供的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于，上述引發(fā)劑 為光引發(fā)劑或熱引發(fā)劑，上述光引發(fā)劑是汽己-嘉基（Ciba Geigy)公司的Doracure系列 或Irgacure系列，上述熱引發(fā)劑為N，N'-偶氮二異了膳（AIBN)或過(guò)氧苯甲醜炬P0)。
[0016] 而且，本發(fā)明所提供的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于，上述高分子 電解質(zhì)是由包含下述化學(xué)式1所表示的交聯(lián)性芳香族高分子、在脂肪環(huán)或芳香環(huán)結(jié)合己帰 基（vinyl)的單體、及引發(fā)劑的溶液浸潰上述多孔性高分子基質(zhì)后交聯(lián)聚合而形成的：
[0017] [化學(xué)式^
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種反向電透析（RED)裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 包括： 多孔性高分子基質(zhì)；及 高分子電解質(zhì)，被含入上述多孔性高分子基質(zhì)的氣孔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述多孔性高分子基質(zhì)是空隙體積為30?70%、氣孔尺寸為0. 05?0. 1μm、厚度為 10-55μm的多孔性碳化氫系膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述高分子電解質(zhì)是由含有含磺酸基單體、丙烯酰胺系交聯(lián)劑及引發(fā)劑的溶液浸漬上 述多孔性高分子基質(zhì)后交聯(lián)聚合而形成的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述含磺酸基單體是含磺酸無(wú)水液相單體或具備磺酸基的丙烯酸鹽系單體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述丙烯酰胺系交聯(lián)劑選自Ν，Ν' -乙烯基雙丙烯酰胺、Ν，Ν' -亞甲基雙丙烯酰胺、Ν，Ν' -亞甲基雙甲基丙烯酰胺及Ν，Ν' -雙丙烯酰基哌嗪所形成的群中的1種以上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述引發(fā)劑為光引發(fā)劑或熱引發(fā)劑，上述光引發(fā)劑是汽巴-嘉基公司的Doracure系列 或Irgacure系列，上述熱引發(fā)劑為Ν,Ν' -偶氮二異丁腈（AIBN)或過(guò)氧苯甲酰（BPO)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述高分子電解質(zhì)是由包含下述化學(xué)式1所表示的交聯(lián)性芳香族高分子、在脂肪環(huán)或 芳香環(huán)結(jié)合乙烯基的單體及引發(fā)劑的溶液浸漬上述多孔性高分子基質(zhì)后交聯(lián)聚合而形成 的：
(在該式中，W、x、Y各自分別代表so2、co2、ch3-ch2-ch3、cf3-cf2-cf3、S中的一個(gè)或其以 上，Z為C-CH3、C-CF3、C-H中的某一個(gè)，符合a+c=b+d的比率）。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 在上述脂肪環(huán)或芳香環(huán)上結(jié)合了乙烯基的單體為乙烯吡咯烷酮單體、苯乙烯單體或二 乙烯基苯單體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述高分子電解質(zhì)是由包含下述化學(xué)式2所表示的交聯(lián)性芳香族高分子的溶液浸漬 上述多孔性高分子基質(zhì)后交聯(lián)聚合而形成的：
(在該式中，X與y大于0,x+y=l，n=l以上的整數(shù)）。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述高分子電解質(zhì)是由包含苯乙烯系單體、乙烯基吡咯烷酮、交聯(lián)劑及引發(fā)劑的溶液 浸漬上述多孔性高分子基質(zhì)后交聯(lián)聚合而形成的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述苯乙烯系單體是選自由α-甲基苯乙烯、苯乙烯及三氟苯乙烯所形成的群中的1 種以上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述交聯(lián)劑為二乙烯基苯、亞甲基雙丙烯酰胺或四亞甲基雙丙烯酰胺。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征在于， 上述引發(fā)劑為Ν，Ν' -偶氮二異丁腈（AIBN)、過(guò)氧苯甲酰（BPO)或過(guò)氧化異丙苯。
14. 一種反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜的制備方法，該反向電透析裝置用陽(yáng)離子交 換膜為權(quán)利要求1到權(quán)利要求13之任一項(xiàng)所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜，其特征 在于， 包括下列步驟： 步驟a，在（i)含有含磺酸基單體、丙烯酰胺系交聯(lián)劑及引發(fā)劑的溶液、（ii)包含下述 化學(xué)式1所表示的交聯(lián)性芳香族高分子、在脂肪環(huán)或芳香環(huán)結(jié)合乙烯基的單體及引發(fā)劑的 溶液、（iii)包含下述化學(xué)式2所表示的交聯(lián)性芳香族高分子的溶液、或（iv)包含苯乙烯 系單體、乙烯基批咯烷酮、交聯(lián)劑及引發(fā)劑的溶液浸漬多孔性高分子基質(zhì)；及 步驟b，對(duì)上述步驟a所獲浸漬在溶液的多孔性高分子基質(zhì)加熱或照射光而在多孔性 高分子基質(zhì)內(nèi)形成交聯(lián)聚合的高分子電解質(zhì)：
(在該式中，W、x、Y各自分別代表so2、co2、ch3-ch2-ch3、cf3-cf2-cf3、S中的一個(gè)或其以 上，Z為C-CH3、C-CF3、C-H中的某一個(gè)，符合a+c=b+d的比率）、 [化學(xué)式2]
: (在該式中，X與y大于0,x+y=l，n=l以上的整數(shù)）。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜的制備方法，其特征在 于， 提供給上述步驟a的高分子基質(zhì)經(jīng)過(guò)了砜親水化或者利用表面活性劑進(jìn)行了親水化。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的反向電透析裝置用陽(yáng)離子交換膜的制備方法，其特征在 于， 上述步驟b是在上述溶液浸漬的多孔性高分子基質(zhì)的一側(cè)面及另一側(cè)面疊積了聚對(duì) 苯二甲酸乙二酯（PET)膜的狀態(tài)下實(shí)行的。
17. -種反向電透析（RED)裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 包括： 多孔性高分子基質(zhì)；及 高分子電解質(zhì)，被含入上述多孔性高分子基質(zhì)的氣孔。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 上述多孔性高分子基質(zhì)是空隙體積為30?70%、氣孔尺寸為0. 05?0. 1μm、厚度為 10-55μm的多孔性碳化氫系膜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 上述高分子電解質(zhì)是由含有具備陽(yáng)離子基的季銨鹽的電解質(zhì)單體、交聯(lián)劑及引發(fā)劑的 溶液浸漬上述多孔性高分子基質(zhì)后交聯(lián)聚合而形成的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 上述具備陽(yáng)離子基的季銨鹽的電解質(zhì)單體是（3-丙烯酰氨基丙基）三甲基氯化銨或 (乙烯基芐基）三甲基氯化銨。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 上述交聯(lián)劑是（i)雙丙烯酰胺系交聯(lián)劑或（ii)由（甲基）丙烯酰基或烯基置換的三 嗪。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 上述雙丙烯酰胺系交聯(lián)劑選自Ν，Ν' -乙烯基雙丙烯酰胺、Ν，Ν' -亞甲基雙丙烯酰胺、Ν，Ν' -亞甲基雙甲基丙烯酰胺及Ν，Ν' -雙丙烯?；哙核纬傻娜褐械?種以上。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 由上述（甲基）丙烯?；脫Q的三嗪是1，3, 5-三丙烯?；鶜?1，3, 5-三嗪。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特征在于， 上述交聯(lián)劑是汽巴-嘉基公司的Doracure系列、汽巴-嘉基公司的Irgacure系列或 2-羥基-2-甲基-1-苯丙烷-1-酮。
25. -種反向電透析裝置用陰離子交換膜的制備方法，該反向電透析裝置用陰離子交 換膜為權(quán)利要求17到權(quán)利要求22之任一項(xiàng)所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜，其特 征在于， 包括下列步驟： 步驟a，在含有具備陽(yáng)離子基的季銨鹽的電解質(zhì)單體、交聯(lián)劑及引發(fā)劑的溶液浸漬多孔 性1?分子基質(zhì)；及 步驟b，對(duì)上述步驟a所獲浸漬在溶液的多孔性高分子基質(zhì)加熱或照射光而在多孔性 高分子基質(zhì)內(nèi)形成交聯(lián)聚合的高分子電解質(zhì)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的反向電透析裝置用陰離子交換膜的制備方法，其特征在 于， 提供給上述步驟a的高分子基質(zhì)經(jīng)過(guò)了砜親水化。
27. -種反向電透析裝置，其特征在于， 包括： 陽(yáng)極； 陰極；及 一個(gè)以上的基本模組，為了形成讓淡水流動(dòng)的流路而在上述陽(yáng)極及上述陰極之間隔離 地配置； 上述基本模組包括為了形成讓海水流動(dòng)的流路而隔離地配置的權(quán)利要求1到權(quán)利要 求13之任一項(xiàng)所述的陽(yáng)離子交換膜及權(quán)利要求17到權(quán)利要求24之任一項(xiàng)所述的陰離子 交換膜。
【文檔編號(hào)】B01J41/12GK104437090SQ201310629572
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】崔榮祐, 李美順, 梁臺(tái)鉉, 尹英基, 樸奭熹, 梁鉉庚, 金韓基, 金臺(tái)煥, 樸鐘洙 申請(qǐng)人:韓國(guó)能源研究技術(shù)研究所