钾离子交换膜的制备与性能研究

论文摘要

离子交换膜分离法是海水提钾的方法之一,钾离子筛具有与离子交换膜类似的结构和功能,并且对K+有独特选择性,将二者结合到一起,不仅能克服钾离子筛膜易碎、不耐用的缺点,还可以提高单纯的离子交换膜对K+的选择性。首先采用水热合成法制备出对钾离子具有特定记忆功能的离子筛,其对海水中钾离子饱和交换容量高达56.96 mg/g。用硅烷偶联剂KH-560对钾离子筛进行表面改性。考察了偶联剂用量和改性时间对改性效果的影响,利用XRD、SEM、FT-IR以及热重分析等方法对改性前、后的钾离子筛进行了表征。结果表明,KH-560可以成功地接枝到钾离子筛的表面,接枝率达1.25%;离子筛优化的改性条件为偶联剂与钾离子筛质量比2:1,改性时间7 h。将钾离子筛共混于成膜性良好的聚乙烯醇基体中,再以商品阳膜为基膜,制备出杂化改性的钾离子交换膜。实验中主要采用双离子膜电位法作为表征手段,测定膜在CaCl2、KCl溶液中的膜电位,得到两种离子的选择透过系数T,根据T值大小确定制膜条件。实验详细考察分散剂种类及用量对膜形貌的影响,以及离子筛含量、聚乙烯醇（PVA）浓度、交联剂用量和交联时间对膜性能的影响。最佳制膜条件:分散剂选择聚丙烯酸,其与离子筛质量比为0.4;离子筛含量14%;PVA浓度8.96%;戊二醛含量0.1%;交联时间10 min。采用扫描电子显微镜（SEM）对膜表面和断面进行表征,结果表明:改性后的膜表面钾离子筛分散较均匀,部分嵌入商品膜表面孔洞,改性层基本可以将商品膜表面及孔洞覆盖住。接触角实验结果表明:改性膜的亲水性明显增强,接触角较商品膜减小了78.1°。实验针对改性前后阳离子交换膜各种相关性能进行测试和比较。结果显示:改性膜的离子交换容量（IEC）和平衡含水率（φw）降低,膜电阻（R）增大,这可能是因为加入的PVA不含离子交换基团,使膜内离子交换基团含量相对减少,再者PVA不导电,从而使膜电阻增大。对KCl/CaCl2、KCl/MgCl2、KCl/NaCl三组溶液分别进行电渗析实验,实验结果表明:商品膜对各组溶液中的K+选择性都不及改性膜,其中对KCl/NaCl溶液中的K+无选择性。改性膜对各组溶液中的K+都表现出明显的优先选择性,分离因数最大值分别为αK+/ Ca2+=154.89,αK+Mg2+=137.94,αK+Na+=5.00商品膜同一时间下分离因数的最大差值分别为:93.61,86.84和4.24。可见,较之商品阳离子交换膜,改性膜对K+的选择分离性能得到提高,这说明将钾离子筛与阳离子交换膜相结合制备钾离子交换膜是可行的,但是改性膜的性能有待进一步提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 膜分离技术简介
• 1.2 离子交换膜
• 1.2.1 离子交换膜的分类
• 1.2.2 离子交换膜的制备方法及改性研究
• 1.2.3 离子交换膜的发展及应用
• 1.3 电渗析技术简介
• 1.3.1 电渗析原理
• 1.3.2 电渗析特点
• 1.4 沸石分子筛简介
• 1.4.1 沸石分子筛的结构与性质
• 1.4.2 沸石分子筛的组成
• 1.5 研究特色与主要内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 制备方法
• 2.2.1 钾离子筛的制备及装置
• 2.2.2 钾离子筛的表面改性处理及装置
• 2.2.3 钾离子交换膜的制备
• 2.3 实验分析测试方法
• 2.3.1 离子含量的测定
• 2.3.2 结构及形貌表征
• 2.3.3 性能测试
• 3 钾离子交换膜的制备及性能测定
• 3.1 钾离子筛的制备与改性研究
• 3.1.1 钾离子筛对钾离子交换容量的测定
• 3.1.2 钾离子筛的表面硅烷改性
• 3.1.3 钾离子筛及改性钾离子筛的表征
• 3.2 钾离子交换膜的制备
• 3.2.1 分散剂的加入对膜形貌的影响
• 3.2.2 离子筛含量对膜性能的影响
• 3.2.3 PVA 浓度对膜性能的影响
• 3.2.4 交联剂含量对膜性能的影响
• 3.2.5 交联时间对膜性能的影响
• 3.3 钾离子交换膜的结构表征与性能测定
• 3.3.1 结构表征
• 3.3.2 离子交换容量和平衡含水率
• 3.3.3 膜电阻
• 3.4 本章小结
• 4 钾离子交换膜的应用
• 4.1 钾离子交换膜的选择分离性能
• 4.2 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及发表的学术论文