电化学控制离子交换膜的制备与性能研究

摘要

电化学控制离子交换(ElectrochemicallySwitchedIonExchange，ESIX)是一种环境友好的新型膜分离技术，通过电化学方法调节附着在导电基体上的离子交换膜的氧化还原电位来控制离子的置入与释放，从而使溶液中的金属离子得到分离并使膜再生。由于ESIX过程的主要推动力是电极电位，离子交换基体无需化学再生，消除了由化学再生剂产生的大量二次污染物，因而有可能取代传统的离子交换技术而受到国外学者的关注。 本文通过阴极电沉积法在不同导电基体上制备出具有电化学控制离子交换(ESIX)性能的电活性(NickelHexacyanoferrate，NiHCF)铁氰化镍薄膜。在1MKNO3溶液中采用电势循环可逆地置入与释放碱金属离子，比较了铂、铝和石墨基体上薄膜的电活性、离子交换容量及再生能力；在1M(KNO3+CsNO3)混合溶液中测定了不同浓度下薄膜的伏安特性曲线，分析了薄膜对Cs.K离子的选择性。重点考察了制膜液组成对薄膜电化学性能的影响，通过EDS测定了薄膜组成并结合循环伏安曲线分析了薄膜组成和结构与其电化学特性之间的关系。实验表明：三种基体材料上均能制得性能稳定的NiHCF膜，铝和石墨基体上的NiHCF薄膜同样具有良好的ESIX性能；控制制膜液组成可得到不同组分占优的膜，由此可筛选较为理想的ESIX膜材料。 本文根据三元图谱设计方案采用化学沉积法在铂和石墨基体上制备出具有ESIX性能的铁氰化镍薄膜，在1MKNO3溶液中通过循环伏安法并结合EDS光谱考察了制膜液组成和基体材料对NiHCF薄膜电化学行为的影响，筛选确定了具有较高电活性和适宜ESIX过程的NiHCF薄膜的制备条件。研究表明：高铁组成制膜条件下生成的NiHCF薄膜的循环伏安特性曲线呈现双峰特征，活性较低；高镍组成制膜条件生成的NiHCF薄膜的循环伏安特性曲线呈现近似单峰特征而活性较高。此外，通过寿命和再生实验表明该方法制备出的NiHCF薄膜具有较高的电化学稳定性以及良好的再生能力。 另外考察了电沉积法在铂、铝基体上制备的NiHCF薄膜的离子选择性，在1M(NaNO3+CsNO3)和1M(KNO3+CsNO3)混合溶液中分别测定了不同浓度下薄膜的伏安特性曲线和电化学交流阻抗图谱，并根据CV曲线和EIS曲线的变化特征分析了薄膜对Cs+.K+和Cs+.Na+离子的选择性。结果表明：交流阻抗法与循环伏安法相结合可较好地用来表征NiHCF薄膜对于Cs离子较强的离子选择性。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1 ESIX过程

1.2电控离子交换膜

1.3 NiHCF膜的制备

1.4 NiHCF膜的结构

1.5 NiHCF膜的电化学行为

1.6 NiHCF膜的应用

1.7本论文的研究目的和意义

参考文献

第二章实验部分

2.1试剂与仪器

2.2 NiHCF膜的制备方法

2.3分析测试方法

第三章电沉积NiHCF薄膜的电控离子交换性能研究

3.1 NiHCF薄膜的制备

3.1.1电极预处理

3.1.2制备NiHCF薄膜

3.1.3 NiHCF薄膜的表面形貌

3.1.4 NiHCF薄膜的EDS分析

3.2 NiHCF薄膜的电化学行为

3.3 NiHCF薄膜置入/置出离子的速度

3.4 NiHCF薄膜的电化学再生

3.5 NiHCF薄膜的寿命

3.6电沉积制备液组成对薄膜电化学性能的影响

3.7 EDS光谱分析

3.8小结

参考文献

第四章电沉积NiHCF薄膜的离子选择性研究

4.1实验部分

4.2Al基体上NiHCF薄膜的离子选择性研究

4.2.1NiHCF薄膜的循环伏安图

4.2.2 NiHCF薄膜的电化学交流阻抗图谱

4.3电化学交流阻抗图谱分析

4.4 Pt基体上NiHCF膜的离子选择性研究

4.4.1 NiHCF膜的循环伏安图

4.4.2 NiHCF膜的电化学交流阻抗图谱

4.5小结

参考文献

第五章化学沉积NiHCF薄膜的电控离子交换性能研究

5.1电极预处理

5.2化学沉积制备方法

5.3 NiHCF薄膜的筛选

5.3.1不同配比试剂对薄膜电活性的影响

5.3.2不同试剂配比对膜中K离子含量的影响

5.4沉积次数对薄膜电化学性能的影响

5.5化学沉积NiHCF薄膜的SEM图

5.6 NiHCF薄膜的电化学行为

5.7NiHCF薄膜的寿命

5.8 NiHCF膜的再生

5.9小结

参考文献

结论与建议

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文