一种高浓度全氟磺酸溶液的制备方法

技术领域

本发明涉及全氟磺酸溶液技术领域，具体是涉及一种高浓度全氟磺酸溶液的制备方法。

背景技术

当今世界正面临着能源短缺、环境污染、全球气候变化等诸多问题，为了保护人类赖以生存的环境，实现全球经济持续发展，开发清洁、高效、安全和可持续的能源已迫在眉睫，而全氟磺酸离子交换膜燃料电池的首要用途是替代汽车发动机作为新的交通能源转换装置，需求量巨大。离子交换膜燃料电池使用氢气、氧气分别作为燃料和氧源，是目前世界上优选的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。离子交换膜技术在氯碱行业的需求也十分巨大，因此，实现离子膜国产化，使我国在世界氯碱行业占有一席之地，十分迫切和必要。此外，全氟离子交换膜还广泛应用于渗透汽化、气体分离及光催化等许多领域，由于全氟离子交换膜自身所具有的各种优异性能，受到国内外的广泛重视，许多公司和科研院所正在对其进行积极探索，其应用范围不断扩大，发展前景十分广阔。全氟磺酸质子交换膜的制备已经引起全世界科研人员的关注，然而制备出合格的全氟磺酸树脂溶液是关键所在。

中国专利：CN201310166887.7提出了一种全氟磺酸树脂溶液的制备方法，提供了一种工艺简单、操作方便的全氟磺酸树脂溶液的制备方法。包括以下步骤：a)将含有磺酸官能团的全氟磺酸树脂中加入重量百分含量为4％～35％的ROH溶液，浸泡2～36小时，浸泡温度为12℃～99℃；b)将步骤a)浸泡后的全氟磺酸树脂置于容器中，用纯水冲洗至pH＝7，清洗温度为40℃～100℃，在25℃～120℃烘干得到R型全氟磺酸树脂；c)将经过步骤b)处理后的R型全氟磺酸树脂置于容器内，加入高沸点溶剂。本发明工艺简单，可重复性强，可以节约大量的人力物力和时间，有重要产业化意义。

此专利中针对全氟磺酸树脂溶液制备第三步骤：处理后的R型全氟磺酸树脂置于容器内，加入高沸点溶剂，在有惰性气体保护的条件下，磁力搅拌，控制温度130℃～280℃，保持4～30小时，然后停止加热和搅拌，在室温下自然冷却，即得到R型全氟磺酸树脂溶液。

但是目前还没有用于第三步骤制备的相关设备，所以需要提出一种高浓度全氟磺酸溶液的制备方法，来解决以上出现的问题。

发明内容

为解决上述技术问题。

本申请提供了一种高浓度全氟磺酸溶液的制备方法，制备方法通过反应釜制备高浓度全氟磺酸溶液，反应釜包括用于对制备溶液加热的加热罐；以及设置在加热罐外部的磁铁；以及设置在加热罐的内部的磁棒，磁铁与磁棒磁力连接；以及驱动磁铁旋转的第一伺服电机，磁棒的顶部安装有搅拌叶，磁棒的底部安装有半球形状的承载部，搅拌叶和承载部无磁性；制备方法包括以下步骤：

在密闭的加热罐内部注入R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂；

将加热罐内部的气体替换为惰性气体；

第一伺服电机驱动磁铁旋转，磁铁通过磁力驱动磁棒旋转，磁棒带动搅拌叶对R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂的混合液进行搅拌。

优选的，反应釜还包括密封机构，加热罐顶部设置有进料口，密封机构设置于加热罐的进料口处，制备方法还包括以下步骤：密封机构开启加热罐顶部的进料口；将处理后的R型全氟磺酸树脂倒入加热罐的内部；密封机构关闭加热罐顶部的进料口。

优选的，加热罐侧壁设置有进液阀，进液阀位于加热罐的上方，制备方法还包括以下步骤：打开进液阀，将高沸点溶剂通过进液阀注入至加热罐的内部后关闭进液阀。优选的，密封机构顶部设置有进气阀和出气阀，制备方法还包括以下步骤：打开进气阀和出气阀，将惰性气体通过进气阀注入并充满加热罐的内部后关闭进气阀和出气阀。

优选的，加热罐包括用于盛载溶液的内胆；以及用于对内胆进行升温的加热丝，加热丝缠绕与内胆的外部；以及用于避免加热丝产生热量外泄的保温层，保温层包裹于加热丝的外部并与内胆固定连接，制备方法还包括以下步骤；加热罐开始工作，加热丝通电发热；加热丝通过内胆对其内部的混合物进行加热；加热温度控制在摄氏度至摄氏度之间，并保持小时至小时；在加热的过程中，第一伺服电机驱动磁铁旋转，磁铁通过磁力驱动磁棒旋转，磁棒带动搅拌叶对R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂的混合液进行搅拌，直至加热停止后停止搅拌。

优选的，加热罐的侧壁设置有出液阀，出液阀位于加热罐的下方，制备方法还包括以下步骤；打开密封机构，使加热罐内部的混合物得到室温冷却，即可得到高浓度全氟磺酸溶液；打开出液阀，使冷却后的高浓度全氟磺酸溶液排出。

优选的，反应釜还包括泵，泵的输入端通过管道与出液阀连接，制备方法还包括以下步骤；打开泵，泵通过出液阀将加热罐内部的冷却后的高浓度全氟磺酸溶液抽出。

优选的，密封机构包括用于封闭加热罐进料口的顶盖；以及卡圈，卡圈设置于加热罐的外部，卡圈上对称设有螺纹杆和导向杆，螺纹杆与卡圈可转动连接，导向杆与卡圈固定连接，螺纹杆与顶盖螺纹连接，导向杆与顶盖滑动连接；以及第二伺服电机，第二伺服电机设置于卡圈上，第二伺服电机的输出端与螺纹杆连接。

优选的，顶盖的底部设有隔板，进气阀和出气阀均设置于顶盖的顶部，进气阀和出气阀分别位于隔板的两侧。

优选的，密封机构还包括门板和单轴气缸，顶盖上设有投料口，门板处于投料口处，并且门板的一侧与顶盖铰接，单轴气缸的固定端与顶盖顶部铰接，单轴气缸的输出端与门板铰接。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1.本申请通过加热罐、磁铁、磁棒、搅拌叶、承载部和第一伺服电机的设置，实现了R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂高温混合的目的，此结构可便于加热罐内部的清洗。

2.本申请通过进液阀的设置，可以提供高沸点溶剂进入加热罐的专线，提高生产效率。

3.本申请通过顶盖、隔板、进气阀和出气阀的设置，可以使惰性气体可以充满加热罐的内部，避免空气残留。

4.本申请通过顶盖、卡圈、螺纹杆、导向杆和第二伺服电机的设置，可以对加热罐进行内部密封和打开散热。

5.本申请通过门板和单轴气缸的设置，可以在无需打开加热罐全部进料口的打开进料通道，只打开顶盖上的投料口，避免了顶盖整体打开多耗费的时间和能源。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图一；

图2为本发明的立体结构示意图二；

图3为本发明的主视图；

图4为本发明的侧视图；

图5为图4的A-A方向剖视图；

图6为本发明的加热罐的立体结构示意图；

图7为本发明的加热罐的侧视图；

图8为图7的B-B方向剖视图；

图9为本发明的加热罐、进液阀和出液阀的立体结构示意图；

图10为本发明的加热罐和密封机构的主视图；

图11为本发明的加热罐和密封机构的立体结构示意图；

图12为图11的C处放大图；

图13为本发明的加热罐、进气阀、出气阀、顶盖和隔板的侧视图；

图14为图13的D-D方向剖视图；

图15为本发明的加热罐、出液阀和泵的主视图；

图中标号为：

1-加热罐；1a-内胆；1b-加热丝；1c-保温层；

2-进液阀；

3-出液阀；

4a-磁铁；4b-磁棒；4b1-搅拌叶；4b2-承载部；4c-第一伺服电机；

5-密封机构；5a-顶盖；5a1-隔板；5b-卡圈；5b1-螺纹杆；5b2-导向杆；5c-第二伺服电机；5d-门板；5e-单轴气缸；

6-进气阀；

7-出气阀；

8-泵。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，提供以下优选技术方案：

一种高浓度全氟磺酸溶液的制备方法，制备方法通过反应釜制备高浓度全氟磺酸溶液，反应釜包括用于对制备溶液加热的加热罐1；以及设置在加热罐1外部的磁铁4a；以及设置在加热罐1的内部的磁棒4b，磁铁4a与磁棒4b磁力连接；以及驱动磁铁4a旋转的第一伺服电机4c，磁棒4b的顶部安装有搅拌叶4b1，磁棒4b的底部安装有半球形状的承载部4b2，搅拌叶4b1和承载部4b2无磁性；制备方法包括以下步骤：

在密闭的加热罐1内部注入R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂；

将加热罐1内部的气体替换为惰性气体；

第一伺服电机4c驱动磁铁4a旋转，磁铁4a通过磁力驱动磁棒4b旋转，磁棒4b带动搅拌叶4b1对R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂的混合液进行搅拌；

具体的，为了解决没有针高浓度全氟磺酸溶液制备设备的技术问题，工作人员将R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂注入至加热罐1的内部，并且将加热罐1的内部气体替换为惰性气体后，为了保证将R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂进行充分混合，在磁棒4b的顶部增加了搅拌叶4b1，搅拌叶4b1呈螺旋叶片状，可以避免只有磁棒4b旋转带动液体流动进行混合，这种混合方式力度不够，由于搅拌叶4b1设置于磁棒4b的上方，所以这样会导致重心不稳的问题，所以通过磁棒4b底部设置的半球型承载部4b2对重心进行限制，承载部4b2有一定重量并且起到了不倒翁底座的效果，当第一伺服电机4c带动磁铁4a转动时是利用磁场的同性相斥、异性相吸的原理，使用磁场推动放置在容器中带磁性的磁棒4b进行圆周运转，在而且通过磁力搅拌的方式可以便于对加热罐1内部的清洗。

如图2和图3所示，提供以下优选技术方案：

反应釜还包括密封机构5，加热罐1顶部设置有进料口，密封机构5设置于加热罐1的进料口处，制备方法还包括以下步骤：

密封机构5开启加热罐1顶部的进料口；

将处理后的R型全氟磺酸树脂倒入加热罐1的内部；

密封机构5关闭加热罐1顶部的进料口；

具体的，为了解决加热罐1内形成密闭空间的技术问题，由于R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂需要高温加热和惰性气体的辅助，所以需要在R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂进入加热罐1后通过密封机构5对进料口进行及时封闭，避免惰性气体的流失和热量的散发。

如图9所示，提供以下优选技术方案：

加热罐1侧壁设置有进液阀2，进液阀2位于加热罐1的上方，制备方法还包括以下步骤：

打开进液阀2，将高沸点溶剂通过进液阀2注入至加热罐1的内部后关闭进液阀2；

具体的，为了解决没有专线注入高沸点溶剂的技术问题，需要通过进液阀2开设的进液口，可以便于高沸点溶剂快速注入加热罐1的内部，进液阀2的位置不能偏低，为了避免R型全氟磺酸树脂堵住进液口，高沸点溶剂为二甲基亚砜、乙二醇、吡硌烷酮或二甲基甲酰胺。

如图14所示，提供以下优选技术方案：

密封机构5顶部设置有进气阀6和出气阀7，制备方法还包括以下步骤：

打开进气阀6和出气阀7，将惰性气体通过进气阀6注入并充满加热罐1的内部后关闭进气阀6和出气阀7；

具体的，为了解决惰性气体替换加热罐1内部空气的技术问题，通过进气阀6和出气阀7的设置，进气阀6提供惰性气体的注入点，在进气阀6注入的过程中加热罐1内部的气体在受到新进入气体挤压时从出气阀7处排出。

如图6、图7和图8所示，提供以下优选技术方案：

加热罐1包括用于盛载溶液的内胆1a；以及用于对内胆1a进行升温的加热丝1b，加热丝1b缠绕与内胆1a的外部；以及用于避免加热丝1b产生热量外泄的保温层1c，保温层1c包裹于加热丝1b的外部并与内胆1a固定连接，制备方法还包括以下步骤；

加热罐1开始工作，加热丝1b通电发热；

加热丝1b通过内胆1a对其内部的混合物进行加热；

加热温度控制在130摄氏度至280摄氏度之间，并保持4小时至30小时；

在加热的过程中，第一伺服电机4c驱动磁铁4a旋转，磁铁4a通过磁力驱动磁棒4b旋转，磁棒4b带动搅拌叶4b1对R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂的混合液进行搅拌，直至加热停止后停止搅拌；

具体的，为了解决对R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂加热的技术问题，当R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂处于内胆1a内部并冲入惰性气体且顶口封闭时，加热丝1b通电对内胆1a进行加热，内胆1a将热量传导至其内部的混合物，通过安装于温度传感器，温度传感器的接收端处于内胆1a的内部，对内胆1a内部的温度进行检测，保温层1c用于防止加热丝1b热量散发和保护工作人员。

如图9所示，提供以下优选技术方案：

加热罐1的侧壁设置有出液阀3，出液阀3位于加热罐1的下方，制备方法还包括以下步骤；

打开密封机构5，使加热罐1内部的混合物得到室温冷却，即可得到高浓度全氟磺酸溶液；

打开出液阀3，使冷却后的高浓度全氟磺酸溶液排出；

具体的，为了解决成品高浓度全氟磺酸溶液排出的技术问题，通过密封机构5打开加热罐1进料口使内部混合物经过室温冷却并的到高浓度全氟磺酸溶液，然后打开密封机构5，处于加热罐1侧壁下方密封机构5，可以使高浓度全氟磺酸溶液在重力作用下从密封机构5处排出。

如图15所示，提供以下优选技术方案：

反应釜还包括泵8，泵8的输入端通过管道与出液阀3连接，制备方法还包括以下步骤；

打开泵8，泵8通过出液阀3将加热罐1内部的冷却后的高浓度全氟磺酸溶液抽出；

具体的，为了解决高浓度全氟磺酸溶液排出缓慢的技术问题，通过安装泵8，出液阀3打开后，在泵8的作用下快速将加热罐1内部的高浓度全氟磺酸溶液抽出，提高生产效率。

如图10和图11所示，提供以下优选技术方案：

密封机构5包括用于封闭加热罐1进料口的顶盖5a；以及

卡圈5b，卡圈5b设置于加热罐1的外部，卡圈5b上对称设有螺纹杆5b1和导向杆5b2，螺纹杆5b1与卡圈5b可转动连接，导向杆5b2与卡圈5b固定连接，螺纹杆5b1与顶盖5a螺纹连接，导向杆5b2与顶盖5a滑动连接；以及

第二伺服电机5c，第二伺服电机5c设置于卡圈5b上，第二伺服电机5c的输出端与螺纹杆5b1连接；

具体的，为了解决加热罐1进料、密封和散热的技术问题，当R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂处于加热罐1的内部时，密封机构5开始工作，第二伺服电机5c的输出端能带动螺纹杆5b1进行转动，螺纹杆5b1带动顶盖5a沿导向杆5b2进行下降，顶盖5a的底部设有密封圈，通过顶盖5a下降至加热罐1的进料口将其密封，卡圈5b用于固定和支撑。

如图13和图14所示，提供以下优选技术方案：

其特征在于，顶盖5a的底部设有隔板5a1，进气阀6和出气阀7均设置于顶盖5a的顶部，进气阀6和出气阀7分别位于隔板5a1的两侧。；

具体的，为了解决惰性气体难以充满加热罐1的技术问题，当顶盖5a封闭于加热罐1进料口时，隔板5a1延伸至加热罐1内部的一半并对其进行分隔，形成一条惰性气体的注入路线，通过进气阀6将惰性气体注入进加热罐1中，通过隔板5a1的作用，使得惰性气体呈U字型推动加热罐1内部空气从出气阀7排出，当加热罐1内空气被排出后，惰性气体便占满加热罐1的内部。

如图12所示，提供以下优选技术方案：

密封机构5还包括门板5d和单轴气缸5e，顶盖5a上设有投料口，门板5d处于投料口处，并且门板5d的一侧与顶盖5a铰接，单轴气缸5e的固定端与顶盖5a顶部铰接，单轴气缸5e的输出端与门板5d铰接；

具体的，为了解决R型全氟磺酸树脂快速进料的技术问题，在无需顶盖5a整体打开时，可以将R型全氟磺酸树脂投入加热罐1内部，单轴气缸5e的输出端收缩并拉动门板5d打开，然后将R型全氟磺酸树脂投入到加热罐1的内部，然后单轴气缸5e推动门板5d关闭投料口，在需要进行散热时顶盖5a再上移打开加热罐1顶部整体进料口。

本申请通过加热罐1、磁铁4a、磁棒4b、搅拌叶4b1、承载部4b2和第一伺服电机4c的设置，实现了R型全氟磺酸树脂和高沸点溶剂高温混合的目的，此结构可便于加热罐1内部的清洗，通过进液阀2的设置，可以提供高沸点溶剂进入加热罐1的专线，提高生产效率，通过顶盖5a、隔板5a1、进气阀6和出气阀7的设置，可以使惰性气体可以充满加热罐1的内部，避免空气残留，通过顶盖5a、卡圈5b、螺纹杆5b1、导向杆5b2和第二伺服电机5c的设置，可以对加热罐1进行内部密封和打开散热，通过门板5d和单轴气缸5e的设置，可以在无需打开加热罐1全部进料口的打开进料通道，只打开顶盖5a上的投料口，避免了顶盖5a整体打开多耗费的时间和能源。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。