论文部分内容阅读
分离过程是化工生产中必不可少的单元操作,在能源消耗总量中所占比例巨大。膜分离技术具有低能耗、设备占地面积小、操作简单等众多优势,有望成为传统分离技术的替代者。但是,传统的分离膜材料也存在诸多问题,譬如,膜易被污染、难以同时达到高透量和高选择性的要求等。研究具有高性能的新型膜分离材料是当前推动膜分离技术发展的关键所在。近年来,一类新型分离膜——二维膜在膜分离领域备受关注。二维膜通常由二维纳米片经过一定排列结构堆叠而成,拥有二维材料优异的物化性质及有序的传质通道,有望突破传统膜的分离上限,在气液分离领域引起了研究者的广泛关注。过渡金属碳（氮）化物（MXene）是一类新型无机二维材料,于2011年被Yury Gogotsi课题组成功制备,该材料可由一类具有三维结构的MAX化合物经过选择性刻蚀和插层剥离制得。MXene纳米片堆叠组装形成的无机二维膜具有可设计的传质通道,并且MXene纳米片表面拥有丰富的含氧官能团,从而赋予了传质通道优异的亲水性质,实现液相体系的高效分离,比如离子截留、有机溶剂脱水、染料废水处理等。然而,将二维MXene膜用于液相体系分离需要面对一个挑战性难题:二维膜的溶胀,即浸泡在液体中时,水分子容易进入二维膜的层间通道,使得层间距扩大,膜结构坍塌,丧失对小尺寸分子的截留能力。为解决该问题,本论文提出了一种简单便捷的“自交联”策略,以增强MXene膜在水中的抗溶胀性能,并实现了单价离子的高效截留及锂离子的选择性分离。本论文首先研究制备了一种用于单价离子截留的二维MXene膜。以Li F和HCl作为选择性刻蚀剂,采用水溶液超声剥离的方式,制备得到了MXene（Ti3C2Tx）纳米片溶液。随后经过真空辅助抽滤的手段,将MXene纳米片组装成厚度为500 nm的MXene膜,并在真空氛围下进行自交联处理,在稳定有效层间距的同时,得到自交联MXene膜,将其用于低价小尺寸金属离子截留过程。为了研究不同的自交联温度对MXene自交联过程以及对单价离子截留性能的影响,我们分别研究了三种温度下的自交联MXene膜。我们在常压下测试了不同条件下制备的自交联MXene膜对浓度为0.2 M Li Cl、Na Cl和KCl溶液的截留性能。结果表明,随着交联温度的升高,MXene的自交联程度越来越大,对单价离子的截留能力越来越强。此外,为探究自交联MXene膜在不同测试环境下的稳定性,我们将自交联MXene膜分别在酸性（p H=3）和碱性（p H=11）环境下进行离子截留测试,结果显示测试溶液的p H对自交联MXene的膜结构和性能无明显影响,该自交联MXene膜均可在酸性和碱性条件下稳定运行。其次,为进一步调控自交联MXene膜的有效层间距并优化层间通道,将其应用于高附加值金属锂离子的选择性分离,我们将含有磺酸基团的链状PSS（聚苯乙烯磺酸钠）引入到层间,通过调节添加量,使得层间距稳定在理想范围内,由于磺酸根对层间通道的修饰会对锂离子产生选择性透过作用,而对其它单价以及二价金属离子进行有效截留。论文利用电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）技术研究了MXene@PSS复合膜在多元离子溶液下的提锂性能以及具有不同膜厚的复合膜的提锂性能,并对提锂机理进行了深入探究。论文首次提出“自交联”策略,并将其应用于单价金属离子截留和选择性提锂的研究,解决了二维MXene膜的致命溶胀问题,并且对MXene膜在限域条件下的离子传输进行了深入探究,为MXene膜在选择性离子筛分和纳流领域应用奠定了一定的理论和实验基础。