关键词:
表面改性
阴离子交换膜
离子传递能力
抗污染性能
稳定性
摘要:
表面改性商业阴离子交换膜,调控膜的亲疏水性和正负电性,有利于提高膜的抗污染性能。然而,加入的表面改性功能层会增加离子传递阻力,导致离子传递能力损失。本文针对阴离子交换膜表面易被有机污染物污染的问题,通过在阴离子交换膜表面构建含有离子传递通道的表面改性功能层,以提高阴离子交换膜的抗污染性能,同时减少离子传递能力损失。主要研究内容如下:(1)二维片层材料Ti3C2Tx的羟基功能基团赋予其良好的亲水性和负电性,有利于提高阴离子交换膜的抗污染性能。同时,二维片层结构的Ti3C2Tx材料容易堆积形成层间传递通道,降低离子传递阻力,减少离子传递能力损失。本研究通过在商业阴离子交换膜表面电沉积Ti3C2Tx材料,合成表面改性功能层,并考察其对阴离子交换膜离子传递能力和抗污染性能的影响。结果显示,Ti3C2Tx表面改性的阴离子交换膜(T-0.1/AEM)的面电阻较未改性膜仅增加0.45Ωcm2。模拟污染物条件下,T-0.1/AEM的脱盐率较未改性膜增大57.7%。但是,在长时间使用过程中,阴离子交换膜的稳定性会下降。此外,离子传递能力损失的减少程度有限。(2)多巴胺材料可以强化表面改性功能层与阴离子交换膜表面之间的相互作用力,增强阴离子交换膜的稳定性。具有刚性、不规则、小尺寸特性的二硫化钼材料有利于无序排列形成疏松结构,作为离子的快速传递通道,进一步减少离子传递能力损失。同时,亲水性和负电性的表面改性功能层可以提高阴离子交换膜的抗污染性能。本研究通过电沉积二硫化钼材料和涂覆多巴胺材料对商业阴离子交换膜进行多层表面改性,并考察阴离子交换膜的离子传递能力、抗污染性能和稳定性。结果显示,在长时间使用过程中,多层表面改性的阴离子交换膜(P@M/AEM)表现出良好的稳定性。P@M/AEM的面电阻较未改性膜仅增加0.40Ωcm2,小于T-0.1/AEM。模拟污染物条件下,P@M/AEM的脱盐率较未改性膜增大88.2%。然而,阴离子交换膜离子传递能力损失的减少程度不明显,抗污染性能的增加程度有限。(3)类树枝状结构的超支化聚乙烯亚胺材料容易形成厚度较小的、具有额外传递通道的表面改性功能层,明显减少离子传递能力损失。同时,超支化聚乙烯亚胺材料与多巴胺材料反应后,均匀分布在表面改性功能层内的功能基团有利于增强阴离子交换膜的亲水性和负电性,进一步提高其抗污染性能。本研究通过在商业阴离子交换膜表面共沉积超支化聚乙烯亚胺材料和多巴胺材料,合成表面改性功能层,并考察其导致的阴离子交换膜离子传递能力和抗污染性能的变化。结果显示,共沉积表面改性的阴离子交换膜(PEI-1800&PDA/AEM)的面电阻较未改性膜仅增加0.25Ωcm2,小于P@M/AEM。模拟污染物条件下,PEI-1800&PDA/AEM的脱盐率较未改性膜增大93.3%,大于P@M/AEM。但是,阴离子交换膜在明显减少离子传递能力损失的情况下,抗污染性能的增加程度不显著。(4)共价有机框架材料的多孔结构可以在表面改性功能层内为离子提供传递通道,明显减少离子传递能力损失。同时,共价有机框架材料含有丰富且分布均匀的功能基团,有利于赋予阴离子交换膜良好的亲水性和负电性,显著提高其抗污染性能。多巴胺材料则可以强化阴离子交换膜的稳定性。本研究通过涂覆多巴胺材料和界面聚合合成共价有机框架材料对商业阴离子交换膜进行表面改性,并考察阴离子交换膜的离子传递能力、抗污染性能和稳定性。结果显示,界面聚合表面改性的阴离子交换膜(TMCPa/PDA/AEM)的面电阻较未改性膜仅增加0.28Ωcm2。模拟污染物条件下,TMCPa/PDA/AEM的脱盐率较未改性膜增大103.0%,大于PEI-1800&PDA/AEM。在长时间使用过程中,TMCPa/PDA/AEM具有优异的稳定性。综上,本研究制备得到的表面改性的阴离子交换膜实现了离子传递能力和抗污染性能的同时优化,为制备抗污染膜提供了新思路。