氮杂冠醚接枝聚砜/非织造布基复合膜制备及其锂同位素分离性能研究

摘要

自然界中的锂主要由两种稳定的同位素组成，分别是6Li(7.47％)和7Li(92.53％)，锂的这两种同位素在核能工业中分别有着不同的重要作用。6Li经过中子轰击后能够产生氚(T)和氦(He)，因而6Li成为核聚变反应中不可缺少的一部分。而在核聚变反应中7Li通常被用作pH控制剂和冷却剂。本文利用氮杂冠醚分子对锂同位素的选择性吸附作用，通过化学接枝的方法将其固载到高分子聚合物中并进行溶解，直接将该聚合物溶液作为铸膜液，采用浸没沉淀相转化法制备复合膜，进一步探索复合膜对锂同位素的吸附和分离性能。 首先，以氮杂冠醚接枝聚砜（PSf-g-BN15C5）为膜材料，非织造布(NWF)作为支撑材料，通过浸没沉淀相转化法制备PSf-g-BN15C5/NWF复合膜，并考察非织造布种类、聚合物浓度、添加剂以及凝固浴温度等对膜结构和膜性能的影响规律。结果表明，当聚合物浓度为14 wt.％，添加剂为8wt.％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)，采用60℃水作为凝固浴时，复合膜具有均匀的海绵状孔结构，孔隙率为69％，纯水通量达到1433 L·m-2·h-1，对碳素墨水的截留率达到78％。此外，在相同成膜条件下制备了PSf-g-BN15C5平板膜，其孔隙率和纯水通量分别为82％和1060 L·m-2·h-1。进一步对制备得到的膜进行力学性能表征，结果表明复合膜的断裂强度为15.4 MPa，其力学性能远高于PSf-g-BN15C5平板膜，商业化的SPSf膜和PVDF膜以及纯非织造布。 其次，考察了PSf-g-BN15C5/NWF复合膜对锂离子的吸附动力学和吸附热力学。结果表明PSf-g-BN15C5/NWF复合膜对锂离子的吸附动力学符合Lagrange准二级动力学模型，说明该吸附过程为典型的化学吸附。吸附热力学符合Freundlich等温吸附方程，说明该吸附属于多分子层吸附。同时，在实验温度范围内，吉布斯自由能(△G)、吸附焓变(△H)和熵变(△S)均为负值，表明PSf-g-BN15C5/NWF复合膜对锂离子的吸附为自发进行的放热过程。同时，采用PSf-g-BN15C5平板膜用于锂离子的吸附，当萃取时间为30 min时，吸附达到平衡，最大分配系数(Kd)和吸附量(q)分别为169.1 mL·g-1和0.4564 mg·g-1。 最后，采用固液萃取体系以PSf-g-BN15C5/NWF复合膜作为萃取介质，考察了萃取时间、冠醚固载量以及萃取体系对锂同位素分离性能的影响规律。结果表明当萃取时间为100 min时，吸附达到平衡。冠醚固载量为0.81 mmol·g-1，得到最大分配系数为16.01 mL·g-1，对应的最大锂同位素分离因子（α）为1.052±0.002。该分离因子明显高于传统的H2O-LiI/BN15C5-CHCl3液液萃取体系(1.007±0.002）和H2O-LiI/PSf-g-BN15C5固液萃取体系（1.014±0.002）。综合以上结果，采用PSf-g-BN15C5/NWF复合膜作为萃取介质，实现了锂同位素的高效分离，也证明了PSf-g-BN15C5/NWF复合膜在锂同位分离方面具有较好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2研究目的

1．3研究内容

第二章文献综述

2．1锂同位素概述

2．2锂同位素分离方法

2．2．1锂汞齐法

2．2．2溶剂萃取法

2．2．3离子交换色谱法

2．3膜分离技术

2．3．1膜分离概述

2．3．2相转化成膜方法

2．3．3膜材料对膜性能的影响

2．3．4溶剂与非溶剂体系对膜性能的影响

2．3．5膜孔结构对膜性能的影响

2．4非织造布复合膜

2．5总结与展望

第三章氮杂冠醚接枝聚砜／非织造布基复合膜制备及性能研究

3．1本章内容

3．2氮杂冠醚接枝聚砜／非织造布基复合膜制备

3．2．1实验原料

3．2．2实验设备

3．2．3氮杂冠醚接枝聚砜／非织造布基复合膜制备

3．2．4复合膜扫描电镜表征

3．2．5复合膜负载量测试

3．2．6复合膜孔隙率测试

3．2．7复合膜通量测试

3．2．8复合膜截留率测试

3．3结果与讨论

3．3．2聚合物浓度对PSf-g-BN15C5／NWF复合膜结构及性能的影响

3．3．3添加剂种类对PSf-g-BN15C5／NWF复合膜结构及性能的影响

3．3．4添加剂浓度对PSf-g-BN15C5／NWF复合膜结构及性能的影响

3．3．5凝固浴温度对PSf-g-BN15C5／NWF复合膜结构及性能的影响

3．3．6氮杂冠醚接枝聚砜平板膜制备

3．3．7膜力学性能表征

3．4本章小结

第四章氮杂冠醚接枝聚砜／非织造布基复合膜锂离子吸附性能研究

4．1本章内容

4．2氮杂冠醚接枝聚砜／非织造布基复合膜锂离子吸附性能研究

4．2．1实验原料

4．2．2设备仪器

4．2．3锂盐溶液配制

4．2．4吸附实验

4．3结果与讨论

4．3．1锂盐浓度对锂离子吸附性能的影响

4．3．2温度对锂离子吸附性能的影响

4．3．3Lagrange准一级吸附动力学

4．3．4Lagrange准二级吸附动力学

4．3．5吸附等温模型

4．3．6Langmuir吸附等温模型

4．3．7Freundlich吸附等温模型

4．3．8D-R吸附等温模型

4．3．9Temkin吸附等温模型

4．3．10吸附热力学特征

4．3．11氮杂冠醚接枝聚砜平板膜锂离子吸附性能研究

4．4本章小结

第五章氮杂冠醚接枝聚砜／非织造布基复合膜锂同位素分离性能研究

5．1本章内容

5．2．2设备仪器

5．2．3冠醚固载量计算

5．2．4锂同位素分离实验

5．3结果与讨论

5．3．1萃取时间对锂同位素分离性能的影响规律

5．3．2不同膜结构对锂同位素分离性能的影响规律

5．3．3冠醚固载量对锂同位素分离性能的影响规律

5．3．4不同萃取体系对锂同位素分离性能的影响规律

5．4本章小结

第六章结论及下一步建议

6．1结论

6．2下一步建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢