【摘 要】
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离子分离是膜处理工艺在工业应用中的重要方面,为了提高离子选择性及渗透率,国内外进行了大量的研究,在过往研究的基础上,本文以3-（脲基-4-甲氧基苯基）丙基三乙氧基硅烷（UPTS）为功能性材料,PVA和PVDF为基体制备具有Na+、Cl-选择性的双离子通道膜,并成功将氧化石墨烯（GO）交联到膜表面制备出GO双离子通道膜。通过扫描电子显微镜、电导率、渗透率、电流电压曲线、离子电阻率对双离子通道膜及GO
【基金项目】
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西部绿色建筑国家重点试验室培育基地开放研究基金《超亲水分形膜-污染物湍流界面污染控制研究》（LSKF201807）；
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离子分离是膜处理工艺在工业应用中的重要方面,为了提高离子选择性及渗透率,国内外进行了大量的研究,在过往研究的基础上,本文以3-（脲基-4-甲氧基苯基）丙基三乙氧基硅烷（UPTS）为功能性材料,PVA和PVDF为基体制备具有Na+、Cl-选择性的双离子通道膜,并成功将氧化石墨烯（GO）交联到膜表面制备出GO双离子通道膜。通过扫描电子显微镜、电导率、渗透率、电流电压曲线、离子电阻率对双离子通道膜及GO双离子通道膜进行相关表征及性能测试,研究了双离子通道膜及GO双离子通道膜对Na+、Cl-的分离效率。主要研究结果如下:（1）以3-异氰酸丙基三乙氧基硅烷为原料,通过苯环和脲基自组装制备得到可形成离子通道的功能性材料3-（脲基-4-甲氧基苯基）丙基三乙氧基硅烷。通过红外光谱对材料的特征峰进行分析验证,表明UPTS基团与目标基团一致。（2）以1wt%UPTS为功能性材料,PVA、PVDF为基体制备双离子通道膜,通过混合离子溶液的静态渗透试验,以电导率分析表征膜对离子的选择性。试验表明:所制备的离子通道膜对Ca2+、Mg2+没有选择性,同时PVDF和PVA混合基体制备的离子通道膜（编号M3）在25h内对含Na+、K+、Li+的混合离子溶液的离子传输率最高,达到800μs/cm左右,其中Na+、K+、Li+渗透率之比为47:33:25,同时编号为M3的膜的离子电阻率最低,数值为605.0Ω·m。（3）在以上研究基础上,通过调控功能性材料UPTS的浓度分别为1wt%、2wt%、3wt%,制备双离子通道膜,通过静态渗透试验研究了UPTS浓度对膜离子传输性能的影响。试验发现随着UPTS含量的升高,膜表面的结晶体结构数量呈现先增加后减少的规律,同时电导率也呈现相同趋势。2wt%UPTS浓度的双离子通道膜（编号为M6）在25h的静态渗透试验中,对于含Na+、K+、Li+的混合离子溶液的离子电导率达到了1300μs/cm左右,Na+、K+、Li+渗透率之比为100:31:33;Cl-、SO42-混合溶液电导率达到了530μs/cm左右,Cl-、SO42-渗透率之比为15:7,编号为M6的膜离子电阻率为499.5Ω·m。（4）进一步研究了离子泵在离子传输中的作用,通过在反应器中加入直流电源,利用电势梯度推动离子在通道中的运输。试验结果表明通电后35h内编号为M6的膜Na+、K+、Li+混合溶液经膜渗透后溶液电导率增长了五倍左右,达到了9900μs/cm左右,Cl-、SO42-混合溶液经膜渗透后溶液电导率达到了8600μs/cm左右,但离子渗透率之比无较大变化。（5）通过涂覆协同化学交联的方法将3wt%、6wt%、9wt%浓度的氧化石墨烯纳米片交联到双离子通道膜表面制备出GO双离子通道膜,编号分别为:M6-1、M6-2、M6-3。通过扫描电子显微镜表征发现,随着GO浓度升高,纳米片抢占结合位点程度越深,纳米片堆叠越杂乱无序。通过混合溶液静态渗透试验对GO双离子通道膜进行性能测试,在35h时,编号为M6-2的膜对混合离子溶液静态渗透电导率最高,Na+、K+、Li+混合溶液经膜渗透后溶液电导率达到了1405μs/cm左右;Cl-、SO42-混合溶液经膜渗透后溶液电导率达到了581μs/cm左右;而编号为M6-3的膜的离子渗透率最高,Na+、K+、Li+渗透率之比提高为190:11:19;Cl-、SO42-渗透率之比为51:7;测试发现,与编号为M6-1和M6-2的膜相比,编号为M6-3的膜的离子电阻率也最小,为314.9Ω·m。加入电势梯度后,相同时间内编号为M6-2的膜对Na+、K+、Li+混合溶液经膜渗透后溶液电导率仍最高达到了12000μs/cm左右;对Cl-、SO42-混合溶液经膜渗透后溶液电导率达到了9400μs/cm左右;编号为M6-3的膜的离子渗透率最高,Na+、K+、Li+渗透率之比为204:4:6;Cl-、SO42-渗透率之比为231:5。
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