基于聚苯胺-聚酰胺复合膜的光热驱动水净化和离子分离

作     者：魏娴 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：靳健

授予年度：2023年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：太阳能界面蒸发 聚苯胺 聚酰胺 VOCs 锂镁分离 

摘      要：随着人口增长、经济发展和消费理念的转变,人类对水资源和矿产资源的需求日益增长,开发绿色、高效的水净化和矿物提取技术迫在眉睫。以选择性膜为核心的膜分离技术如纳滤、反渗透等,由于其高选择性、操作简便等优点受到了广泛的关注。然而这些膜分离过程往往需要压力泵的运行来维持压力差,仍然会损耗电力并具有较高的设备成本。太阳能作为地球上最丰富的可再生能源,近年来在海水淡化、催化降解、光伏发电等领域取得了重要的应用。太阳能驱动的界面蒸发技术可以净化海水或废水得到纯净水,是解决水资源短缺的重要方法之一。然而,废水中常含有有毒有害的挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs),这些VOCs会在蒸馏水中富集,造成二次污染。此外,随着新能源产业的不断发展,全球锂资源需求量不断攀升。全球约80%的锂蕴含在盐湖卤水中,而传统的盐湖提锂工艺需要消耗大量的不可再生能源。本论文将太阳能驱动的界面蒸发技术和尺寸筛分机制相结合,设计了聚苯胺-聚酰胺光热分离膜,实现了界面蒸发过程中水和VOCs的分离。另一方面,通过设计具有锂镁分离性能的光热分离膜,实现了光热驱动的锂镁分离。具体研究内容如下:(1)聚苯胺-聚酰胺光热分离膜用于光热驱动水中VOCs的去除。为了解决界面蒸发时VOCs分子会随水蒸发造成二次污染的问题,在商业的聚醚砜(PES)微滤膜上原位生长聚苯胺(PANI)纳米阵列作为光热层,并以PANI阵列支撑的聚酰胺(PA)作为分子筛分层,制备了聚苯胺-聚酰胺光热分离膜用于选择性截留VOCs分子。在一个太阳辐射强度下(1 kWm-2),该膜的水蒸发速率为1.0kg m-2h-1,对苯酚的去除率高达97%,并且在处理酸性、碱性或含油废水时也具有较高的VOCs去除率,表现出优异的化学稳定性和抗油污性能。这项工作为通过光热过程处理高浓度的VOCs废水提供了一种新策略。(2)聚苯胺-聚酰胺光热分离膜用于光热驱动锂镁分离。为了解决传统工艺从盐湖中提取锂所带来的能耗问题,以聚苯胺(PANI)纳米阵列作为光热材料,聚酰胺(PA)膜为选择层,制备了聚苯胺-聚酰胺复合膜用于太阳能驱动锂镁分离。光照下该膜可以有效的截留Mg2+而使Li+透过,从而在膜表面得到LiCl晶体。实验结果表明,在三个太阳辐射强度下(3kW m-2),该膜对LiCl/MgCl2的分离因子为16.2,蒸发结晶后LiCl的含量高达94.2%。这项工作为利用太阳能实现锂镁分离提供了一种新思路。