Page 77 - 《精细化工》2020年第1期

第 1 期 褚云晨，等: BPO 和 AIBN 作引发剂对阳离子交换膜性能的影响 ·63·

当 AIBN 含量为 0.15 g 时，IEC 最高值达到
1.59 meq/g，这说明苯乙烯在 PVDF 链上的接枝效果
更好，膜的磺化度提高。但是由于 BPO 含量为 0 时
不存在半互穿网络，IEC 值达到最低为 0.95 meq/g。
综上所述，当 AIBN 和 BPO 同时存在时，半互
穿网络的形成和苯乙烯的直接接枝产生的作用能提
高 PVDF 阳离子交换膜的 IEC。
一般来说，具有相同交联度和成分的膜含水量
相同 [22] 。图 6 显示各 PVDF 离子交换膜的含水率  。

含水率的大小与膜的交联度有关，交联度越大，结
图 7 含不同引发剂及其不同含量的离子交换膜的迁移数
构越致密，含水率越低 [10] 。交联度相同时，离子交 Fig. 7 Transport number of different ion exchange
换基团越多，则膜的溶胀性越大，含水率也越大 [22] 。 membranes with different initiators and contents
所以，图 6 中的含水率变化趋势和图 5 中的 IEC 变
固定离子浓度为单位质量膜内所含水分中具有
化趋势相似。
的交换基团毫克当量数（meg/g 水），可用 IEC 和含
水率  的比值求得 [10] ，如式（5）。表 2 给出各离子
交换膜的固定离子浓度。
IEC
固定离子浓度  （5）

佐田俊胜指出，当膜与 NaCl 溶液的浓度 C 达
+
到平衡时，阳离子交换膜中 Na 的迁移数 t Na 可以通
过式（6）近似计算得出 [23] ：

u ( 2 4 C  2 C ) C 
t Na  Na R R （6）
u Na ( 2 R 4 C  2 R ) C  u Cl ( C  2 R 4 C  2 C R ) C 
+ –
图 6 含不同引发剂及其不同含量的离子交换膜的含水率 式中： u Na 与 u 分别为 Na 和 Cl 在膜相中的迁移
Cl
Fig. 6 Water uptake of different ion exchange membranes 数；C 为离子交换基团在膜相中的浓度（即固定离
R
with different initiators and contents + –
子浓度，meg/g 水），且 Na 与 Cl 的迁移率之比是
2.7 迁移数分析 Na / u Cl 0 u . 6  7 。
图 7 显示了含不同引发剂及其不同含量的离子 根据上式可以推定，当固定离子浓度 C 越大，
R
交换膜的迁移数。由图可知 PVDF-4 阳离子交换膜 迁移数 t Na 也越大。故表 2 中的固定离子浓度与迁移
的迁移数最高，为 95.15%。迁移数与膜中离子交换 数相对应，当 AIBN 含量为 0.15 g，BPO 含量为 0.1 g
基团的浓度（固定离子浓度）和外部溶液的浓度之 （即 PVDF-4）时，固定离子浓度达到最大，为
比有关 [12] ，本文中测定迁移数时所用外部溶液浓度 3.04 meg/g 水，此时膜迁移数也达到最大为 95.15%。
均相同，故各离子交换膜迁移数的不同与膜中离子 但迁移数最大的膜并不是 IEC 和含水率最大的膜，
交换基团的浓度有关。 这是因为迁移数同时受 IEC 和含水率的影响。

表 2 含不同引发剂及其不同含量的离子交换膜的固定离子浓度
Table 2 Fixed ion concentration of different ion exchangers with different initiators and their contents
样品
PVDF-1 PVDF-2 PVDF-3 PVDF-4 PVDF-5 PVDF-6 PVDF-7 PVDF-8
固定离子浓度/（meg/g 水） 2.61 2.51 2.35 3.04 2.85 1.94 2.88 2.82

2.8 循环伏安曲线分析 进行循环伏安曲线分析，突出引发剂对膜性能的影
由图 7 可知，只添加 BPO 引发剂，PVDF-2 的 响。图 8 中 a~c 分别为 PVDF-2、PVDF-4 和 PVDF-6
迁移数最低；只添加 AIBN 引发剂，PVDF-6 的迁移 的循环伏安测试扫描图。循环伏安曲线的电位窗口
数最低；同时添加 BPO 和 AIBN，PVDF-4 的迁移 表明离子交换膜对离子的选择透过性，电位窗口的
数最高。故以 PVDF-2、PVDF-4 和 PVDF-6 为样品 电位值越大，说明离子交换膜表面电位越大，则膜