电化学沉积改性法制备单价选择性阴离子交换膜的研究

摘要

近些年来，随着离子交换膜的成熟应用于电渗析分离过程，开发具有高的单价选择性分离性能的离子交换膜已是当今的研究重点。传统的离子交换膜注重于非同性离子分离，然而经过分离后的具有同性但非同价态离子的浓缩液一般难以处理和直接利用，这就要求将产生的浓缩溶液能够再次精细分离。单价选择性离子交换膜材料，由于其独特的结构，能够实现溶液中的单、多价离子的直接分离，从而在实际的工业生产具有很大的应用潜力。商业化的离子交换膜目前已经能够很好的实现非同性离子的选择性分离，但是如何解决目前商业化的离子交换膜具有同性离子的单价选择性及稳定性是进一步提高其应用的关键。本论文的探究内容是基于电化学沉积组装改性法，实现了利用多种电化学方法改性方式的单价选择性阴离子交换膜并较好的克服了改性层的不稳定性、易受有机物污染特性和自堆积团聚而造成的高的膜面电阻，改善了单价选择分离性能的能力，为其在电渗析过程中提供了一定的指导。主要研究内容如下:
　　1.生物启发并利用直流电沉积方法改性制备具有单价选择性阴离子交换膜同时提高抗污性能。通过多巴胺氧化自聚合成聚多巴胺(PDA)吸附在膜表面和N-邻磺酸基苯壳聚糖(NSBC)的电沉积防范从而在膜表面构建一种“三层”结构的仿细胞膜改性层。对于该改性层的结构:最内层和最外层是具有不同沉积时间的PDA分别具有提供配位键和提供抗污染能力，中间层通过NSBC电沉积方法制备的具有单价选择性功能层。利用傅里叶转换红外光谱和扫描电子显微镜证实PDA和NSBC成功改性与阴离子交换膜的表面，膜表面接触角测定结果表明改性膜的良好亲水性。与此同时，通过研究Cl-/SO42-分离，考察改性膜的单价阴离子选择性，结果表明:在电渗析(ED)90min内，改性膜的Cl-/SO42-选择性可达到高达2.20，远高于商业化阴离子交换膜（仅0.78）。通过测量膜面电阻的增加值以评价防污性能，在ED工艺中，使用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为污染材料，并且30min后改性膜的膜面积电阻增加值仅为0.08Ω·cm2。
　　2.直流交替电沉积聚（4-苯乙烯磺酸钠）(PSS)和羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC)层层组装改性制备具有单价选择性阴离子交换膜。同未改性的商业化的离子交换膜相比，在膜表面上的(PSS/HACC)交替电沉积多层组装明显提高了阴离子的选择性。通过研究Cl-/SO42-分离，考察改性膜的单价阴离子选择性，结果表明:商业化的阴离子交换膜的选择性选择性和分离效率的平均值分别为0.66和-0.19。作为PSS/HACC层的交替9个双层电沉积的结果，选择性选择性提高至2.90且分离效率也增加至0.28。在最佳制造条件下，具有9个PSS/HACC双层膜的面积电阻达到4.52Ω·cm2。同时，极化电流-电压曲线和ζ-电势电化学性能进一步证明改性膜的良好的单价选择性和改性层的稳定性。
　　3.脉冲电流交替沉积N-邻磺酸基苯壳聚糖(NSBC)和羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC)改性技术方法制备了（HACC/NSBC）这种多层聚电解质改性结构的单价选择性阴离子交换膜，并对改性膜的单价选择性和稳定性进行了测试，结果表明:利用电脉冲改性所得到的阴离子交换膜与原商业比较，单价选择性获得了很大的提高;同时相对静电沉积和交替电沉积层层改性制备的单价选择性离子交换膜，其改性层的均匀性稳定性和膜电阻的增加值得到了良好的改善。从而在利用电化学技术改性离子交换膜提高单价选择性有了更好的改进方式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 离子交换膜

1．2．1 单价选择性离子交换膜简介

1．2．2 阴离子交换膜

1．2．3 单价选择性阴离子交换膜的优缺点

1．2．4 单价选择性阴离子交换膜的制备原理、方法及材料

1．3 单价选择性阴离子交换膜的研究进展

1．3．1 表面改性法制备具有单价选择性的阴离子交换膜

1．3．2 直接制备具有单价选择性的阴离子交换膜

1．4 本文的立题依据和研究内容

第二章 实验试剂、仪器与表征

2．1 实验试剂、仪器及表征

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 膜材料表征

2．2．1 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)

2．2．2 X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)

2．2．3 傅里叶转换红外线光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FT-IR)

2．2．4 原子力学显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)

2．3 电化学性能测试方法

2．3．1 固体表面Zeta电位

2．3．2 离子交换膜的膜面电阻

2．3．3 极化电流-电压曲线

2．4 抗污染性能测试

2．5 单价选择性阴离子测试方法

第三章 电沉积改性制备具有单价选择性阴离子交换膜的研究

3．1 引言

3．2 仿细胞膜结构单价选择性阴离子交换膜的制备

3．2．1 N-邻磺酸基苯壳聚糖的制备

3．2．2 仿细胞膜三层结构改性制备

3．3 仿细胞膜结构电沉积改性单价选择性阴离子交换膜的结构与表面分析

3．4 仿细胞膜结构电沉积改性单价选择性阴离子交换膜的电化学性能

3．4．1 膜面电阻

3．4．2 膜电流-电压曲线

3．4．3 膜的单价阴离子选择性

3．4．4 抗污染性能的探究

3．5 本章小结

第四章 直流电沉积层层组装改性制备具有单价选择性阴离子交换膜的研究

4．1 引言

4．2 交替电沉积层层组装改性单价选择性阴离子交换膜的制备

4．3 交替电沉积技术层层组装改性单价选择性阴离子交换膜的结构与表面分析

4．4 交替电沉积技术层层组装改性单价选择性阴离子交换膜的电化学性能

4．4．1 膜面电阻

4．4．2 膜电流-电压曲线

4．4．3 Zeta电位

4．4．4 膜的单价阴离子选择性

4．5 本章小结

第五章 脉冲电沉积层层组装改性制备具有单价选择性阴离子交换膜的研究

5．1 引言

5．2 脉冲电沉积层层组装改性单价选择性阴离子交换膜的制备

5．3 脉冲电沉积技术改性时间及改性效率分析

5．4 脉冲电沉积技术层层组装改性单价选择性阴离子交换膜的结构与表面分析

5．5 脉冲电沉积技术层层组装改性单价选择性阴离子交换膜的电化目圈国

5．5．1 膜面电阻

5．5．2 膜的单价阴离子选择性

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 未来工作展望

参考文献

致谢

简历

攻读硕士学位期间发表的论文和其他科研成果