CN101372752B - 耐高温碱性水电解槽隔膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种耐高温碱性水电解槽隔膜，该隔膜为针刺法非织造布聚苯硫醚隔膜。其制备方法包括以下步骤：(1)纤维原料选择：选用PPS纤维来制备非织造布基布；(2)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网；(3)铺网：梳理后的单网经过铺网机铺网制成所要求的幅宽和厚度的多层纤网；(4)加固：将铺好的多层纤网增强材料送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布；(5)后处理：将非织造布在90～98％的H₂SO₄中进行磺化处理；然后用30％氢氧化钾溶液处理。本发明制备方法工艺简单，且清晰明确，工业化实施容易，同时操作方便，成本低廉；本发明制备方法工艺控制容易，因此可保证产品性能可靠，质量稳定。

Description

耐高温碱性水电解槽隔膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水电解槽隔膜及其制备方法，特别是涉及一种耐高温碱性水电解槽隔膜及其制备方法。

背景技术

随着技术和经济的发展以及人口的增长，使得人们对能源的需求越来越大。目前以石油、煤为代表的化石燃料，一方面使用带来了严重的环境污染，另一方面由于其不可再生性和有限的储量，将带来严重的能源危机。所以，发展清洁的可再生的新能源越来越迫切。氢以其清洁无污染，高效，可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。氢气作为一种可燃性气体，除用作无污染的能源之外，还用在电子、军事、宇航、化学化工、冶金、建材、气象和汽车等许多领域。

制造氢气的方法很多，其中电解水制氢技术发展得最为成熟，应用广泛。

当两个电极(阴极和阳极)分别通上直流电，并且浸入水中时，水将被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧气，这个过程就是电解水，这样的装置则为水电解槽。

目前市场上的电解槽可以分为三种：碱性电解槽、质子交换膜电解槽(PEM)和固体氧化物电解槽。碱性电解槽是最早商业化的电解槽技术，虽然其效率是三种电解槽中最低的，但由于价格低廉，目前仍然被广泛使用，尤其是在大规模制氢工业中，碱性电解槽的缺点是效率较低和使用石棉作为隔膜。

隔膜在任何电解槽中都占有很重要的位置，它置于阳极、阴极之间，阻止阳极侧氧气和阴极侧氢气的混合，以保证气体纯度、提高电流效率和安全性。其具体要求为：在100℃内对30％的氢氧化钾电解液的耐久性、耐氧化性、较小的离子通过阻力、高的电子通过阻力、被电解液高的起始可润湿性和永久可润湿性、较高的气密性、较薄的厚度、高的机械稳定性。

由于技术的局限性，目前国内主要制氢设备厂家仍旧采用石棉布作为隔膜，石棉隔膜在90℃以下、30％的KOH溶液中耐腐蚀性能优异，但其电阻较大，当温度过高、压力增大时易溶解而造成对电解液的污染；且石棉具有致癌性，在开采和加工使用的过程中会对环境产生污染，对人体造成危害。很多国家已经提出要禁止石棉在碱性电解槽中的使用。因此寻求新的隔膜材料是十分迫切和必要的。

意大利专利24836A/80介绍了一种以PTFE织物为基布表面涂以磺化PPS作亲水改性的隔膜，这种隔膜耐腐蚀性能很好，但其生产工艺较为复杂，需要在高温高压下进行轧压，隔膜尺寸受到一定限制，均一性差，且由于其采用的PTFE表面能很小，难于被粘结，它与PPS材料热膨胀系数差异较大，故隔膜受热易分层。

美国专利US4895634采用纯聚苯硫醚纤维制成机织布或非织毡，并采用不同手段(磺化、碳酰化、磷酰化)进行亲水改性，据专利称其隔膜性能优异，耐温耐腐蚀，吸水率300％，气体纯度可达99.99％；但其隔膜厚度较大(约2mm)，其亲水后处理工艺较复杂，时间较长(约为2h)，且其专利未指出隔膜加工工艺。

目前，采用针刺法非织造布聚苯硫醚(PPS)隔膜，在国内尚属首次，其制备方法的相关内容也未见到公开。

发明内容

为了克服现有隔膜的不足之处，本发明提供了一种耐高温碱性水电解槽隔膜及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的。

一种耐高温碱性电解槽隔膜，为针刺法非织造布聚苯硫醚(PPS)隔膜。

一种耐高温碱性电解槽隔膜的制备方法，该方法包括：

(1)纤维原料的选择：选用PPS纤维来制备非织造布基布。纤维长度为20～80mm，纤度为0.8～6.0dtex。

(2)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网。

(3)铺网：梳理后的单网经过铺网机铺网制成所要求的幅宽和厚度的多层纤网。

(4)加固：将铺好的多层纤网增强材料送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布。

(5)后处理：亲水处理，将非织造布在70～130℃，90～98％的H₂SO₄中进行磺化处理20～40分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。

本发明制备方法工艺简单，且清晰明确，工业化实施容易，同时操作方便，成本低廉；本发明制备方法工艺控制容易，因此可保证产品性能可靠，质量稳定。

利用本发明制备方法所制得的耐高温碱性水电解槽隔膜性能优良，质量稳定。产品的均匀性、厚度、强度、空隙率、气密性、电阻、耐化学性等性能指标均满足要求。经过进一步处理(磺化处理)生产的隔膜完全满足碱性水电解槽的使用要求，技术指标达到或超过我国建材行业标准(JC/T211-2000隔膜石棉布标准)的技术要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

一种耐高温碱性电解槽隔膜，为针刺法非织造布聚苯硫醚(PPS)隔膜。

不利的是，应用于碱性电解制氢电解槽隔膜材料的PPS纤维是疏水性的，不能满足被电解液快速和良好可润湿性的重要需求，然而，不良的可润湿性将导致运行过程中气泡的聚集，阻碍了离子的通过，增大了电阻，最终增大电解设备的能耗，故此，必须对隔膜进行亲水处理。

本发明的耐高温碱性水电解槽隔膜的制备方法主要包括五个步骤：(1)纤维原料的选择；(2)纤维的开松、混合、梳理、成网；(3)铺网：梳理后的单网经过铺网机铺网制成所要求的幅宽和厚度的多层纤网；(4)针刺加固；(5)亲水后处理。根据现有技术，需要解决的技术问题主要有两个：非织造布隔膜的成网加固技术、隔膜后处理工艺选择及工艺参数设定。

本发明制备方法，要求所选用的纤维原料必须具有高温下耐强碱，抗氧化性好，强度高，同时具备亲水性好的特性。试验研究表明，聚醚醚酮纤维在50％的碱液100℃长时间沸煮后无失重，无强度损失，且利于磺化反应的顺利进行，易于接枝磺酸基团，本发明选用聚苯硫醚纤维，纤维长度为20～80mm，纤度为0.8～6.0dtex。

本发明重点解决的问题是非织造布隔膜的成网加固技术和亲水处理工艺。作为碱性电解槽隔膜，要求材料具有一定的强度、孔隙率、厚度薄和具有较好的亲水性以保证其具有较小的电阻以降低设备能耗。限于针刺加固工艺，产品厚度不能过小，且厚度过小会对材料的强度产生较大影响，本发明力图在保证产品强度的情况下尽量使其厚度最小。由于国内对聚苯硫醚纤维的研究甚少，本发明采用磺化的方法对其进行处理，不断进行工艺探索，最终找出最佳磺化工艺参数。

本发明制备方法未述及之处适用于现有技术。

利用本发明制备方法可制得本发明所述的碱性电解槽隔膜。与我国建材行业标准JC211石棉隔膜试验比较，本发明产品的性能要求均满足碱性电解槽的使用要求。本发明产品具体指标如表1所示。

表1本发明产品与JC211石棉隔膜检验指标对比表

 

指标参数	本发明产品	JC211石棉隔膜
			克重g/m<sup>2</sup>抗拉强度(纵向)N/50mm透气性m<sup>3</sup>/(m<sup>2</sup>·min)厚度mm吸水率湿态气密性mmH<sub>2</sub>O小室电压V电流密度A/m<sup>2</sup>能耗kw·h/m<sup>3</sup>H<sub>2</sub>膜成本RMB/m<sup>2</sup>	500以下1000以上8以上1.5以下310％以上2801.8以下4000以上4.3以下200以下	4000±502500以上1.95以上4±0.5200％300以上2.020004.8300

注：本发明产品的抗拉强度能够满足使用要求，JC211石棉隔膜的抗拉强度数值过剩。

下面给出本发明的具体实施例：

选用PPS纤维生产碱性电解槽隔膜。

实例一：纤维长度为40mm，纤度为1.1dtex。

(1)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网并铺网。

(2)加固：将铺好的多层纤网送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布。

(3)亲水后处理：将非织造布在70℃，98％的H₂SO₄中进行磺化处理40分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。

实例二：纤维长度为50mm，纤度为1.1dtex。

(1)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网并铺网。

(2)加固：将铺好的多层纤网送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布。

(3)亲水后处理：将非织造布在80℃，95％的H₂SO₄中进行磺化处理30分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。

实例三：纤维长度为60mm，纤度为3.0dtex。

(1)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网并铺网。

(2)加固：将铺好的多层纤网送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布。

(3)亲水后处理：将非织造布在90℃，90％的H₂SO₄中进行磺化处理30分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。

实例四：纤维长度为50mm，纤度为2.2dtex。

(1)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网并铺网。

(2)加固：将铺好的多层纤网送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布。

(3)亲水后处理：将非织造布在130℃，98％的H₂SO₄中进行磺化处理20分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。

实例五：纤维长度为70mm，纤度为4.4dtex。

(1)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网并铺网。

(2)加固：将铺好的多层纤网送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布。

(3)亲水后处理：将非织造布在100℃，98％的H₂SO₄中进行磺化处理20分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。

实例六：纤维长度为38mm，纤度为1.5dtex。

(1)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网并铺网。

(2)加固：将铺好的多层纤网送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布。

(3)亲水后处理：将非织造布在80℃，98％的H₂SO₄中进行磺化处理20分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。

Claims (1)

1.一种耐高温碱性水电解槽隔膜的制备方法，所述隔膜为针刺法非织造布聚苯硫醚隔膜，其特征在于：

该隔膜的制备方法包括以下步骤：

(1)纤维原料的选择：选用PPS纤维来制备非织造布基布，纤维长度为20～80mm，纤度为0.8～6.0dtex；

(2)梳理成网：纤维原料经过开松、混合，梳理机梳理成网；

(3)铺网：梳理后的单网经过铺网机铺网制成所要求的幅宽和厚度的多层纤网；

(4)加固：将铺好的多层纤网增强材料送入针刺机，经过预刺和正反面多道主刺，制成具有一定强力的非织造布；

(5)后处理：亲水处理，将非织造布在70～130℃，90～98％的H₂SO₄中进行磺化处理20～40分钟；然后用30％氢氧化钾溶液处理。