【摘 要】
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我国锂离子电池等新能源行业的迅速发展导致对锂的需求量快速增加。我国锂资源总量丰富,其中80%以上储存于盐湖卤水中。然而,这些盐湖卤水中镁锂离子比值高达几十甚至数百,导致采用传统工艺进行盐湖提锂的成本较高,效率偏低。带正电的纳滤膜对混合盐溶液中的镁锂离子具有较好的分离能力,能有效降低卤水中的镁锂离子比值,但现有正电膜的渗透通量普遍偏低。针对这一问题,本工作设计合成多种季铵盐强电解质分子,并将其用于对
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我国锂离子电池等新能源行业的迅速发展导致对锂的需求量快速增加。我国锂资源总量丰富,其中80%以上储存于盐湖卤水中。然而,这些盐湖卤水中镁锂离子比值高达几十甚至数百,导致采用传统工艺进行盐湖提锂的成本较高,效率偏低。带正电的纳滤膜对混合盐溶液中的镁锂离子具有较好的分离能力,能有效降低卤水中的镁锂离子比值,但现有正电膜的渗透通量普遍偏低。针对这一问题,本工作设计合成多种季铵盐强电解质分子,并将其用于对聚乙烯亚胺(PEI)-均苯三甲酰氯(TMC)聚酰胺纳滤膜的改性。结果表明,改性膜的平均有效孔径和表面正电荷密度同时增大,在维持盐截留率的同时提高膜的渗透性,并增强纳滤膜对镁锂离子的选择能力。进一步研究了改性单体结构对改性膜微结构和分离性能的影响,加深了对改性单体结构影响纳滤膜分离性能机制的理解。具体工作内容如下:(1)设计合成带有羟基和氨基的季铵盐分子N,N’-二(2-氨乙基)-N,N,N’,N’-四(2-羟丙基)-1,2-二溴乙铵(QEDTP)。采用PEI和TMC之间的界面聚合反应,在聚砜(PSF)底膜上制备初始的聚酰胺复合纳滤膜。将QEDTP水溶液涂覆于PEI-TMC复合膜表面,通过QEDTP分子中羟基、氨基与膜表面残余酰氯基团间的缩聚反应,将QEDTP分子接枝到PEI-TMC复合膜中。经QEDTP分子改性后,膜的平均有效孔径由2.7?增至5.3?。6 bar压力下,膜的纯水渗透通量由25.8L·m-2·h-1提升至127.2 L·m-2·h-1。以高镁锂比(120:1)的模拟盐湖卤水作为进料液对PEI-TMC复合膜和QEDTP改性膜进行镁锂分离性能测试,QEDTP改性膜的镁锂分离因子可达15.6,是PEI-TMC复合膜(6.5)的2.5倍。此外,QEDTP改性膜在6 bar压力下连续稳定运行180 h,具有优异的稳定性,使用牛血清白蛋白水溶液进行长达40 h的污染处理,经去离子水清洗后,渗透通量恢复率为74.5%,具有良好的抗污染能力。(2)设计合成含有单季铵(M1)、双季铵(M2)和三季铵(M3)位点的三种强电解质单体。采用M1-M3单体对PEI-TMC复合膜进行改性,研究了改性单体分子结构对膜微观结构和分离性能的影响。M1、M2、M3改性膜的表面粗糙度和分离层厚度均依次减小,水接触角依次增大,且均大于PEI-TMC复合膜,膜表面正电荷电荷密度为M2、M1、M3改性膜依次降低。三种改性膜的平均有效孔径分别为5.0?、5.2?、5.5?。相比于PEI-TMC复合膜,改性膜渗透通量均提升了2.5倍以上。以镁锂比值为120:1的混合盐溶液作为模拟卤水对三种改性膜进行镁锂分离测试,镁锂分离因子分别为10.5、14.1、9.3。此外,改性膜对Cu2+、Cr3+、Zn2+、Co2+、Ni2+等重金属离子的截留率大于85%,具有应用于脱除工业废水中重金属离子的能力。
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