改性TiO2掺杂离子交换膜的制备及其在电渗析中的应用研究

论文摘要

由于当今社会经济飞速增长,人们生活生产的淡水需求也随之日益增加。为了解决淡水供应问题以及保障饮水安全,各项水处理技术都得到了迅速发展。其中,电膜脱盐工艺,如电渗析,其主要是利用离子交换膜的选择性并加以电场作用,去除溶液中的盐离子。电渗析技术中,关于离子交换膜的性能改善是目前研究的热点,其中向膜基质中掺杂纳米材料是常用的方法之一。纳米二氧化钛（TiO2）具有优异的吸附能力、亲水性和长期稳定性,及低成本、对人体和环境安全等优点,考虑将其掺杂于高聚物中掺杂制膜,能够有效改善离子交换膜的性能。本文以提高离子交换膜性能为目标,对纳米TiO2进行了功能化处理,然后将其与聚氯乙烯（PVC）和离子交换树脂粉掺杂制膜。主要的实验内容及结论如下:（1）采用氨基三亚甲基膦酸作为有机磷酸化试剂,通过磷氧化学键合将纳米TiO2有机磷酸化（即OPTi）,再将制备好的OPTi与PVC、阳离子交换树脂粉掺杂共混,制备异相阳离子交换膜。通过X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析OPTi的元素组成和表面特征官能团,证明了有机磷酸基团成功接枝至纳米TiO2表面。通过扫描电镜（SEM）研究了自制阳离子交换膜的表面和断面形貌,并考察了不同OPTi的掺杂比对膜的含水率、离子交换容量、机械性能和膜面电阻等性质的影响。结果表明,OPTi的加入使离子交换膜性能得到极大改善,并且在电渗析实验中,阳离子交换膜CEM-2的能耗相较于商品异相膜降低了34.02%、电流效率相较于商品异相膜提高了55.76%。（2）采用烯丙基三甲基氯化铵作为季铵化试剂,将其先与3-（异丁烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷进行自由基共聚反应,形成的反应产物通过偶联反应将季铵基团接枝至TiO2表面上（即Q-TiO2）。通过XPS和FT-IR分析Q-TiO2的元素组成和表面特征官能团进行验证。将Q-TiO2与PVC、阴离子交换树脂粉掺杂,制备异相阴离子交换膜。同样,通过SEM研究自制阴离子交换膜的表面和断面形貌,并考察了不同Q-TiO2的掺杂比例对膜的含水率、离子交换量、机械性能和膜面电阻等性质的影响。结果表明,Q-TiO2的加入使膜的固定电荷浓度、离子选择性和机械性能提高,膜面电阻大大降低。（3）通过对自制离子交换膜基本性能的表征及其简单应用于电渗析实验的考察,筛选出性能优异的阳离子交换膜CEM-2和阴离子交换膜AEM-0.5。利用筛选的自制离子交换膜进行电渗析海水淡化应用研究,并与华膜公司生产的商品异相离子交换膜对比。实验结果显示,自制离子交换膜在处理海水淡化过程中脱盐效率高,离子去除率高达99.30%,具有良好的电渗析性能,在电渗析技术处理含盐水脱盐领域有巨大的应用潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 脱盐技术概述
•     1.1.1 脱盐技术研究背景
•     1.1.2 脱盐技术主要方法
•   1.2 电渗析技术概述
•     1.2.1 电渗析技术的原理及基本过程
•     1.2.2 电渗析技术的优点
•     1.2.3 电渗析技术的应用
•   1.3 离子交换膜概述
•     1.3.1 离子交换膜的分类
•     1.3.2 离子交换膜选择透过性的原理
•     1.3.3 离子交换膜的的性能及要求
•     1.3.4 离子交换膜的研究进展
•     1.3.5 离子交换膜掺杂纳米材料的研究
•   1.4 聚氯乙烯离子交换膜的研究
•     1.4.1 聚氯乙烯简介
•     1.4.2 聚氯乙烯离子交换膜的制备研究
•   1.5 本课题的研究意义、内容与技术路线
•     1.5.1 研究意义
•     1.5.2 研究内容
•     1.5.3 技术路线
• 第二章 实验材料与方法
•   2.1 实验材料
•     2.1.1 实验试剂
•     2.1.2 实验仪器
•   2.2 表征及分析方法
•     2.2.1 傅里叶红外光谱
•     2.2.2 X射线光电子能谱
•     2.2.3 场发射扫描电镜
•     2.2.4 表面接触角
•     2.2.5 机械性能
•     2.2.6 含水率
•     2.2.7 离子交换容量
•     2.2.8 膜面电阻
•     2.2.9 离子迁移数及选择透过性
•     2.2.10 扩散渗析实验
•     2.2.11 电流-电压曲线
•     2.2.12 电渗析实验
•     2.2.13 氯化钠浓度的测定
• 2改性阳离子交换膜的制备与表征'>第三章 有机磷酸化TiO₂改性阳离子交换膜的制备与表征
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
• 2的制备'>    3.2.1 有机磷酸化TiO₂的制备
•     3.2.2 改性阳离子交换膜的制备
•   3.3 结果与讨论
• 2的化学结构分析'>    3.3.1 有机磷酸化TiO₂的化学结构分析
•     3.3.2 改性阳离子交换膜的微观形貌分析
•     3.3.3 改性阳离子交换膜的交换性能分析
•     3.3.4 改性阳离子交换膜离子迁移数和选择性的分析
•     3.3.5 改性阳离子交换膜的面电阻分析
•     3.3.6 改性阳离子交换膜的机械性能分析
•     3.3.7 扩散渗析实验
•     3.3.8 电渗析实验
•   3.4 本章小结
• 2改性阴离子交换膜的制备与表征'>第四章 季铵化TiO₂改性阴离子交换膜的制备与表征
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
• 2的制备'>    4.2.1 季铵化TiO₂的制备
•     4.2.2 改性阴离子交换膜的制备
•   4.3 结果与讨论
• 2的化学结构分析'>    4.3.1 季铵化TiO₂的化学结构分析
•     4.3.2 改性阴离子交换膜的微观形貌分析
•     4.3.3 改性阴离子交换膜的交换性能分析
•     4.3.4 改性阴离子交换膜的离子迁移数及选择性分析
•     4.3.5 改性阴离子交换膜的面电阻分析
•     4.3.6 改性阴离子交换膜的机械性能分析
•     4.3.7 扩散渗析实验
•     4.3.8 电渗析实验
•   4.4 本章小结
• 第五章 实验室自制离子交换膜电渗析应用
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 材料与仪器
•     5.2.2 电渗析实验
•     5.2.3 分析方法
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 电渗析脱盐速率的分析
•     5.3.2 电渗析离子去除率的分析
•     5.3.3 电渗析淡化室pH的分析
•     5.3.4 电渗析能耗的分析
•     5.3.5 电渗析水损失率的分析
•   5.4 本章小结
• 结论与展望
•   主要结论
•   不足与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周璇

导师: 周少奇

关键词: 离子交换膜,电渗析,海水淡化,二氧化钛,聚氯乙烯

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 华南理工大学

基金: 国家重点研发计划项目(2016YFC0400705)

分类号: P747

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.001085

总页数: 96

文件大小: 5341K

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