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石墨烯基离子选择性膜及其在渗透能收集中的应用

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石墨烯基离子选择性膜及其在渗透能收集中的应用

作者：孙天宇济南大学

学位级别：硕士

人类社会赖以生计和兴盛的物质基础是能源,但由于当前人类社会化石能源支出的日趋激烈,导致了环境污染和能源不足等问题。所以,开发利用洁净、可持续发展的绿色燃料已经迫在眉睫。渗透能指的是高浓度海水和低浓度淡水之间以浓度差形式... 详细信息

人类社会赖以生计和兴盛的物质基础是能源,但由于当前人类社会化石能源支出的日趋激烈,导致了环境污染和能源不足等问题。所以,开发利用洁净、可持续发展的绿色燃料已经迫在眉睫。渗透能指的是高浓度海水和低浓度淡水之间以浓度差形式存在的一种吉布斯自由能,又被称为“蓝色能源”。主要分布于河海交汇之地,是一种可再生的能源,具有广阔的应用前景。反向电渗析(electrodialysis reversal,RED)是一种依赖离子选择性膜,成本低、灵活性强、可持续的渗透能发电技术,被视为最有希望获得渗透能的技术之一。然而传统离子选择性膜存在内阻高、效率低、稳定性差、制备复杂、价格昂贵等局限性,所以亟需开发新型的离子选择膜材料。二维材料,如石墨烯、二硫化钼、蒙脱土、MXene,在自堆叠过程中形成的纳米受限孔道,在构建离子选择性膜中具有极大的潜力。但目前大多数研究主要集中在探索材料可行性方面,本文选用典型的二维材料氧化石墨烯作为研究对象,提出通过构建介孔结构提高反向电渗析过程功率密度的方法,主要内容如下:1)我们用电化学剥离法成功制备了氧化石墨烯纳米片,片层厚度为3.4 nm,片层纵向尺寸为1μm。然后选用聚丙烯酸钠和聚乙烯亚胺调节氧化石墨烯的Zeta电位,选用纤维素纳米纤维作为增强剂,配置了阴阳离子选择性膜的前驱溶液。在抽滤过程中,我们通过调控p H的方法对前驱溶液进行絮凝,并成功制备出了具有介孔结构结构的氧化石墨烯基离子选择性膜。2)结合COMSOL模拟计算,我们证明1-20 nm的介孔主要作用是降低离子选择性膜的电阻,膜的选择性主要是氧化石墨烯片层间堆叠的孔隙控制的。在后续的反向电渗析实验中我们证明,在氧化石墨烯膜中引入介孔结构,能够在保证离子选择性的同时,大大降低膜的电阻。在0.5 M/0.01 M的浓度梯度下,三腔体的反渗析装置实现了5.87 W m的功率密度。本论文提出的在氧化石墨烯等二维材料中引入介孔结构的想法,为新型的离子选择性渗透能转化膜的研制提供了方向,本文对离子选择性膜进行了数值仿真,并对其产生机制进行了较为深入的探讨,对于进一步提高其功率密度具有一定的理论指导作用。

关键词：渗透能氧化石墨烯膜介孔结构离子选择性能量转换

具有离子整流效应的仿生二维MXene膜的制备及其在渗透能捕获中的应用

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具有离子整流效应的仿生二维MXene膜的制备及其在渗透能捕获中的...

作者：赵子颢华南理工大学

学位级别：硕士

存在于海水和淡水之间的渗透能是一种新型的清洁能源,开发利用渗透能需要高效的渗透能捕获技术。在众多技术中,以反向电渗析法应用最为广泛,其核心在于离子选择性分离膜的设计。传统用于反向电渗析过程的分离膜一般是电渗析过程所用的... 详细信息

存在于海水和淡水之间的渗透能是一种新型的清洁能源,开发利用渗透能需要高效的渗透能捕获技术。在众多技术中,以反向电渗析法应用最为广泛,其核心在于离子选择性分离膜的设计。传统用于反向电渗析过程的分离膜一般是电渗析过程所用的离子交换膜,主要存在着内阻大、输出功率密度低的问题,这阻碍了反向电渗析技术的进一步发展。相对于传统材料,二维膜不仅具有优异的分离性能,而且具有较好的可调控性,被誉为下一代分离膜。本论文从电鳗的发电细胞结构中得到启发,基于二维MXene纳米片,构筑了具有非对称结构的异质结型二维MXene膜,并对其在离子选择性分离及渗透能捕获中的应用展开了深入的研究,具体工作如下:（1）报道了一种具有整流效应的MXene分离膜。利用氟化锂和浓盐酸,对TiAlC进行选择性刻蚀,得到带负电的MXene纳米片（NCM）。再利用聚二烯丙基二甲胺对NCM进行改性,得到了带正电的MXene纳米片（PCM）。依次在混合醋酸纤维素基底上抽滤NCM和PCM,制得具有异质结构的仿生二维MXene膜（BHMXM）。该BHMXM具有约60 MPa的拉伸强度,并且能在水中保持较好的结构稳定性。由于BHMXM具有非对称的表面电荷极性和高表面电荷密度,可以得到高整流电流。在10 M KCl溶液中,测得BHMXM有最大整流比15.4。即使在KCl溶液浓度高达1 M的情况下,BHMXM仍然能够达到约为4的离子整流比。（2）探究了具有异质结结构的MXene膜在渗透能捕获中的应用。由于BHMXM具有离子整流效应,能有效避免能量转换过程中的浓差极化现象。将BHMXM应用于渗透能捕获过程,通过混合合成海水（0.5 M NaCl）和河水（0.01 M NaCl）,其输出功率密度可达8.6 W m(超越了～5 W m的商业化标准);在500倍盐度梯度下,输出功率密度高达17.8 W m,优于目前最先进的膜。在不更新电解质溶液的情况下,BHMXM的输出电流密度在连续运行60分钟后仍可保持在～90%;即使在连续运行20天后,BHMXM的输出功率密度也没有出现明显的衰减,表明其具有出色的长期工作稳定性。

关键词：渗透能二维膜 MXene 离子整流

基于纳流控离子传输的反电渗析膜的设计与制备及其在盐差能发电中的研究

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基于纳流控离子传输的反电渗析膜的设计与制备及其在盐差能发电中...

作者：肖丹华南理工大学

学位级别：硕士

基于膜的反电渗析法(RED)被认为是具有较高潜力的获取渗透能量的技术。然而,传统的离子交换膜存在内阻大、效率低的问题,导致功率密度不理想。开发一种同时具有高功率密度、优异的机械强度和便于大规模生产的先进膜用于渗透能量转换仍... 详细信息

基于膜的反电渗析法(RED)被认为是具有较高潜力的获取渗透能量的技术。然而,传统的离子交换膜存在内阻大、效率低的问题,导致功率密度不理想。开发一种同时具有高功率密度、优异的机械强度和便于大规模生产的先进膜用于渗透能量转换仍然具有挑战性。本论文采用理论分析和实验手段相结合的方法,设计并制备了二维MXene膜和三维Kevlar纳米纤维膜,分别在渗透能转换中的应用展开了深入的研究,具体工作如下:(1)设计并制备了具有二维纳流控通道的带相反电荷的TiCT MXene膜(MXMs)用于高性能渗透发电。所制备的带负电荷或带正电荷的二维MXene纳米通道表现出典型的表面电荷控制的离子传输,并表现出良好的阳离子或阴离子选择性。通过将人工海水(0.5 M氯化钠)和河水(0.01 M氯化钠)混合,基于该MXMs的RED发电装置能够获得的最大输出功率密度约为4.6 W m,高于大多数最先进的膜式渗透发电机,非常接近商业化基准(5 W m)。通过串联10个MXMs组合对,输出电压可达1.66 V,可直接为电子器件供电。(2)通过简单的刮涂法制备出了具有多孔结构的三维(3D)纳流控通道的Kevlar纳米纤维(KNF)膜。该带负电荷的交织的纳米通道表现出典型的表面电荷控制的纳流控离子传输行为,并表现出良好的阳离子选择性。当用于渗透能量转换时,基于KNF膜的渗透能发电机的功率密度达到4.8 W m(海水/河水),进一步将温度升高到328 K,输出功率密度可提高到13.8 W m,高于大多数最先进的膜。更重要的是,4μm厚度的KNF膜具有超高的拉伸强度(565 MPa)和杨氏模量(25 GPa)。该膜还具有120天以上的超长稳定性,在实际渗透能量转换中显示出巨大的潜力。

关键词：渗透能反电渗析纳流控 MXene膜 Kevlar纳米纤维膜

超支化聚缩水甘油醚表面修饰压力延滞渗透膜的制备及其抗污性能研究

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超支化聚缩水甘油醚表面修饰压力延滞渗透膜的制备及其抗污性能研...

作者：李家乐武汉大学

学位级别：硕士

当今世界能源消耗和温室气体排放的快速增长刺激了可再生能源作为替代燃料的探索。渗透能是由不同盐度的水流混合而释放的渗透压梯度能量,是一种清洁、可持续且基本上未开发的能源资源,具有很大的前景。其中,用于压力延滞渗透法(pressur... 详细信息

当今世界能源消耗和温室气体排放的快速增长刺激了可再生能源作为替代燃料的探索。渗透能是由不同盐度的水流混合而释放的渗透压梯度能量,是一种清洁、可持续且基本上未开发的能源资源,具有很大的前景。其中,用于压力延滞渗透法(pressure retarded osmosis,PRO)的膜的制备工艺日趋成熟,使得渗透发电越来越可能实现。然而,PRO膜的多孔层容易被进料液中污染物所污染,从而降低膜性能以及发电量。为了解决这个压力延滞渗透发电的核心问题,本论文采用化学表面接枝的方法将具有抗污性能的聚合物接枝到膜多孔层上,从而提高PRO膜抗污性能和长期稳定性。本论文主要分成三章。在第一章中,对渗透能以及PRO进行简单的介绍,重点介绍了PRO膜的发展、污染情况和目前已有抗污的策略。在第二章中,通过阴离子开环聚合的方法制备了HPG,然后用α-硫辛酸和氨基磺酸进行官能团修饰,制备带负电的硫酸酯化超支化聚缩水甘油醚(sulfated hyperbranched polyglycerol,SHPG),最后通过迈克尔加成反应将SHPG接枝到聚多巴胺(polydopamine,PDA)修饰的聚醚砜(poly(ether sulfone),PES)中空纤维膜多孔层上,得到PES-g-SHPG膜。对PES-g-SHPG膜进行抗细菌吸附、抗蛋白质吸附以及PRO过程抗污测试,结果证明PES-g-SHPG的抗细菌吸附和抗蛋白吸附性能比未改性的PES膜要强。在不同操作压力的PRO测试中,相比于未改性的PES膜,PES-g-SHPG膜的通量下降更少并且反洗恢复率更高。在第三章中,针对SHPG涂层在长时间污染后出现涂层微损伤的现象进行自修复研究:一旦涂层被破坏,裸露的PES多孔层就会有细菌等微生物附着和增殖,进一步破坏未损坏抗污涂层;实验中先将聚(2-乙基-2-唑啉)在硫酸的条件下进行水解制备线性聚乙烯亚胺(linear polyethyleneimine,LPEI),然后用碘甲烷进行季铵化制备季铵化线性聚乙烯亚胺(quaternized linear polyethylenimine,QLPEI),最后通过迈克尔加成反应以及静电作用将QLPEI接枝到PES-g-SHPG膜上,制备了因静电相互作用而具有高迁移率的可自修复涂层,即PES-g-SHPG-QLPEI膜;对PES-g-SHPG-QLPEI膜进行抗细菌吸附、抗蛋白质吸附以及PRO过程抗污测试,结果证明PES-g-SHPG-QLPEI膜抗污性能强于未改性之前的PES膜。为了检验PES-g-SHPG-QLPEI膜在污水中的自修复特性,将PES-g-SHPG膜和PES-g-SHPG-QLPEI膜浸泡在真实的城市污水中两个月进行老化处理。在抗菌和抗蛋白测试以及PRO抗污测试中,老化后的PES-g-SHPG膜的抗污性能比未老化之前的膜要弱一点,而老化处理后的PES-g-SHPG-QLPEI膜跟未老化的膜的抗污能力基本相同,这说明了该涂层具有自修复特性。

关键词：渗透能压力延滞渗透膜污染硫酸酯化超支化聚缩水甘油醚季铵化线性聚乙烯亚胺

日东电工/美国海德能与Statkraft合作开发渗透能发电

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水工业市场 2011年第7期 61-61页

近日,日东电工集团/美国海德能公司与欧洲最大的可再生能源公司Statkraft达成协议,为Starkraft开发并供应渗透能膜元件。此项协议将加快可再生能源新技术的开发。

关键词：渗透能膜元件能源新技术可再生能源电工发电厂能源公司开发与应用达成协议合作开发

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绿色能源家族添新丁:海洋渗透能