本文關(guān)鍵詞：鋰離子選擇透過(guò)膜微結(jié)構(gòu)調(diào)控與傳遞過(guò)程強(qiáng)化

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【摘要】：單價(jià)選擇型離子交換膜用于鹽湖提鋰的報(bào)道較少,雖然效果優(yōu)于商業(yè)納濾膜,但Li~+與Mg~(2+)的分離效果還有待提高,且沒(méi)能解決Li~+與Na~+、K~+的分離問(wèn)題。本研究圍繞Li~+專屬傳遞通道構(gòu)建與傳遞過(guò)程強(qiáng)化,依據(jù)“Donnan效應(yīng)”分離原理和鋰離子篩的“鋰離子篩效應(yīng)”,探索高選擇性、高Li~+通量的選擇透過(guò)膜及其可控制備方法。重點(diǎn)研究改性鋰離子篩對(duì)膜微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,功能化鋰離子篩上荷電基團(tuán)與膜材料荷電基團(tuán)之間的相互作用機(jī)制,復(fù)合層與基膜的協(xié)同作用機(jī)制。針對(duì)復(fù)合膜具有雙層界面的特點(diǎn),探索多尺度協(xié)同效應(yīng)及其作用機(jī)制對(duì)離子傳遞的影響規(guī)律,獲得強(qiáng)化傳遞過(guò)程的理論和方法,以期為鹽湖鹵水和海水的綜合利用提供技術(shù)支持。具體內(nèi)容概述如下:(1)基于鋰離子篩在磺化聚醚醚酮(SPEEK)基質(zhì)中構(gòu)建Li~+專屬傳遞通道。受“鋰離子篩效應(yīng)”啟示,將鋰離子篩分散到SPEEK基質(zhì)中制備雜化膜,磺酸刷改性的鋰離子篩(SHMO)采用蒸餾沉淀共聚合法制備。SEM斷面圖表明改性的鋰離子篩均勻分散在SPEEK基質(zhì)中,從而能在膜中構(gòu)建Li~+專屬傳遞通道,并沿有機(jī)-無(wú)機(jī)界面構(gòu)建連續(xù)的離子傳遞通道。陽(yáng)離子通量在形成的連續(xù)通道以及與SPEEK基質(zhì)的“Donnan效應(yīng)”下得到了極大的提高。與純SPEEK膜相比,雜化膜在SHMO填充量為20%時(shí)性能達(dá)到最優(yōu),其Li~+通量提高了65.9%,比商業(yè)化的單價(jià)選擇型離子交換膜(Neosepta CIMS)高190%;P(Li~+/Mg~(2+))和P(Li~+/K~+)值分別提高了400%和66.5%,分別比Neosepta CIMS高67.6%和52.4%。(2)以SP/SHMO-20為基膜,然后采用界面聚合技術(shù),在基膜上形成含氨基改性鋰離子篩(NHMO)的荷正電復(fù)合層,制備Li~+選擇透過(guò)復(fù)合膜。結(jié)果表明,基膜與荷正電復(fù)合層之間結(jié)合牢固,在最優(yōu)條件1.2%填充量下,膜內(nèi)豐富的Li~+專屬傳遞通道使得雜化膜的P(Li~+/Mg~(2+))提高了36.2%,比Neosepta CIMS高101%,提高了復(fù)合膜對(duì)Li~+和Mg~(2+)的選擇性。(3)通過(guò)界面聚合技術(shù)在SP/SHMO-20基膜上形成荷正電復(fù)合層,制備Li~+選擇透過(guò)膜,改性鋰離子篩通過(guò)蒸餾沉淀共聚合法在鋰離子篩表面接枝咪唑基聚合物刷。膜斷面SEM結(jié)果表明基膜與復(fù)合層之間結(jié)合牢固,P(Li~+/Mg~(2+))值均高于SP/PEI-NHMO-X,當(dāng)填充1.2%的VHMO時(shí),Li~+通量達(dá)7.31×10~(-4) mol s~(-1) m~(-2),P(Li~+/Mg~(2+))和P(Li~+/K~+)值分別提高到3.982和1.362,分別比Neosepta CIMS高117%和52.7%,表明所制備復(fù)合膜有望實(shí)現(xiàn)Li~+與Mg~(2+)、K~+的分離。(4)通過(guò)減小基膜和復(fù)合層的厚度提高膜總體性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),膜厚度的變薄縮短了離子傳遞路徑,減小了膜內(nèi)的離子傳遞阻力,從而表現(xiàn)出良好的電導(dǎo)率和離子通量,在保持Li~+和Mg~(2+)選擇性(P(Li~+/Mg~(2+))=3.862)的前提下其面電阻下降到4.07?cm~2,同時(shí)通量提高到8.21×10~(-4) mol s~(-1) m~(-2)。
【關(guān)鍵詞】：單價(jià)選擇型離子交換膜 磺化聚醚醚酮 鋰離子篩 微結(jié)構(gòu)調(diào)控 離子通量 離子選擇性
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ051.893
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 鋰資源分布與開(kāi)發(fā)12-16
• 1.1.1 鋰資源分布12-13
• 1.1.2 鹽湖提鋰技術(shù)13-16
• 1.2 鋰離子篩提鋰技術(shù)簡(jiǎn)介16-20
• 1.2.1 鋰離子篩分類16-18
• 1.2.2 鋰離子篩吸附機(jī)理18-20
• 1.2.3 鋰離子篩成型技術(shù)20
• 1.3 膜分離技術(shù)提鋰20-21
• 1.3.1 納濾技術(shù)鋰鎂分離20-21
• 1.3.2 電滲析技術(shù)鋰鎂分離21
• 1.4 單價(jià)選擇型離子交換膜21-24
• 1.4.1 離子交換機(jī)理21-22
• 1.4.2 單價(jià)選擇型交換膜的制備方法22-23
• 1.4.3 單價(jià)選擇型離子交換膜研究進(jìn)展23-24
• 1.5 論文選題及主要思路24-26
• 2 實(shí)驗(yàn)部分26-33
• 2.1 試劑、材料與儀器26-28
• 2.1.1 試劑與材料26-27
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器27-28
• 2.2 膜的表征28-29
• 2.2.1 傅利葉變換紅外光譜（FTIR）28
• 2.2.2 透射電子顯微鏡（TEM）28
• 2.2.3 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）28
• 2.2.4 廣角X射線衍射（XRD）28
• 2.2.5 熱重分析（TGA）28-29
• 2.2.6 膜機(jī)械性能測(cè)試29
• 2.3 吸水率（Water uptake）和溶脹度（Area swelling）29
• 2.4 離子交換容量（IEC）29-30
• 2.5 膜電阻30
• 2.6 離子通量30-31
• 2.7 膜的選擇透過(guò)系數(shù)P(Li~+/Mg~(2+))和P(Li~+/K~+)31-32
• 2.8 本章小結(jié)32-33
• 3 基于磺酸基改性鋰離子篩構(gòu)建Li~+傳遞通道33-50
• 3.1 引言33
• 3.2 SP/HMO和SP/SHMO復(fù)合膜的制備33-34
• 3.2.1 HMO和SHMO的制備33-34
• 3.2.2 復(fù)合膜的制備34
• 3.3 HMO及SHMO的表征34-37
• 3.4 膜結(jié)構(gòu)表征與物理化學(xué)性質(zhì)37-41
• 3.5 膜的吸水溶脹性能41-44
• 3.6 膜的IEC值44-45
• 3.7 膜面電阻值45-46
• 3.8 膜對(duì)Li~+、Mg~(2+)和K+的通量46-47
• 3.9 膜的選擇透過(guò)系數(shù)P(Li~+/Mg~(2+))和P(Li~+/K~+)47-48
• 3.10 本章小結(jié)48-50
• 4 界面聚合法制備Li~+選擇透過(guò)膜50-65
• 4.1 引言50-51
• 4.2 SP/PEI-HMO和SP/PEI-NHMO復(fù)合膜的制備51-53
• 4.2.1 HMO和NHMO的制備51
• 4.2.2 復(fù)合膜的制備51-53
• 4.3 HMO和NHMO的表征53-54
• 4.4 膜結(jié)構(gòu)表征與物理化學(xué)性質(zhì)54-58
• 4.5 膜的吸水溶脹性能58-60
• 4.6 膜面電阻值60-61
• 4.7 膜對(duì)Li~+、Mg~(2+)和K~+的通量61-62
• 4.8 膜的選擇透過(guò)系數(shù)P(Li~+/Mg~(2+))和P(Li~+/K~+)62-64
• 4.9 本章小結(jié)64-65
• 5 基于咪唑基改性鋰離子篩界面聚合膜的制備65-76
• 5.1 引言65
• 5.2 SP/PEI-VHMO復(fù)合膜的制備65-66
• 5.2.1 VHMO的制備65-66
• 5.2.2 復(fù)合膜的制備66
• 5.3 HMO和VHMO的表征66-68
• 5.4 膜結(jié)構(gòu)表征與物理化學(xué)性質(zhì)68-70
• 5.5 膜吸水溶脹性能70-71
• 5.6 膜面電阻值71-72
• 5.7 膜對(duì)Li~+、Mg~(2+)和K~+的通量72-73
• 5.8 膜的選擇透過(guò)系數(shù)P(Li~+/Mg~(2+))和P(Li~+/K~+)73-74
• 5.9 膜結(jié)構(gòu)-面電阻優(yōu)化74-75
• 5.10 本章小結(jié)75-76
• 6 結(jié)論76-78
• 6.1 結(jié)論76-77
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)77
• 6.3 研究展望77-78
• 參考文獻(xiàn)78-84
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、學(xué)術(shù)論文與研究成果84-85
• 致謝85

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