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哈工大邵路教授團隊《Engineering》:“兩面神”電荷結構高效離子分離膜
2022-03-16  來源:高分子科技

  英國皇家化學會會士、中國化工學會分子辨識分離工程專委會委員、哈爾濱工業大學邵路教授帶領團隊提出新方法制備了兼具高單價離子滲透選擇性和高陽離子通量的單價選擇性陽離子交換膜。相關論文以標題Monovalent Cation Exchange Membranes with Janus Charged Structure for Ion Separation發表在中國工程院院刊《Engineering》。邵路教授為唯一通訊作者,論文第一作者為哈爾濱工業大學化工與化學學院博士生王文廣


1具有Janus電荷結構單價選擇性陽離子交換膜的分離原理、膜表面結構和目前的單價選擇性陽離子交換膜的“Upper Bound”示意圖


  近年來,電子產品、電動汽車可充電鋰離子電池等新能源產業的發展極大地拉升鋰原料市場需求,使全球對鋰資源需求不斷增加,鋰資源成為重要戰略資源我國鹽湖水中鋰資源儲量豐富,若對鹽湖鋰資源進行高效提取,將有助于推動新能源產業發展并提高我國鋰電池及下游產業鏈的國際競爭力。單價選擇性陽離子交換膜可應用于單價/多價離子分離,并且具有更高鋰鎂分離性能的單價選擇性陽離子交換膜已經成為電滲析提鋰的有希望的候選者。然而,目前單價選擇性陽離子交換膜普遍存在選擇層穩定性差、滲透選擇性低和陽離子通量低等問題,這會顯著增加電滲析過程能耗。因此,制備具有高陽離子通量、高滲透選擇性且高穩定的單價選擇性陽離子交換膜仍然是亟需解決的課題,這對鹽湖高效提鋰具有重要的意義。


  邵路團隊開發了一種新型表面改性方法構建具有兩面神電荷結構的單價選擇性陽離子交換膜。一方面,具有豐富陽離子交換基團的基膜可有效抑制陰離子反向擴散,這確保了膜具有高陽離子通量。另一方面,正電荷選擇層可通過增加Donnan效應提高單價/多價陽離子的滲透選擇性。在鈉鎂體系和鋰鎂體系中均具有高陽離子通量和高分離選擇性(鈉鎂體系為145.77,鋰鎂體系為14.11)。此外,該研究發現,由于膜表面雙電層(Mg2+層)在高電流密度下被破壞,這導致滲透選擇性隨著電流密度的增加而逐漸降低。這對實際工業應用具有指導意義。


 (a) M-TMA-0.15 wt.% 在不同電流密度下的滲透選擇性、歸一化Na+通量和歸一化Mg2+通量, (b) M-TMA-0.15 wt.%在不同電流密度下的滲透選擇性、歸一化Li+通量和歸一化Mg2+通量, (c) 雙電層分離機理圖,(d) 單價選擇性陽離子交換膜的鈉離子通量與鈉鎂滲透選擇性的“Upper Bound”上限圖


  選擇性電滲析(SED)系統的產品室(Product chamber)具有電荷守恒的特性,因此可以用于富集濃縮二價離子。其中,SED的電荷守恒特性可用于研究單價選擇性陽離子交換膜的分離性能和分離機理。膜在SED的產品室中離子的總電荷量并未發生改變,這說明膜可以有效抑制陰離子的反向擴散(陰離子反向擴散會導致陽離子通量降低以及陽離子電流效率降低)。因此,具有豐富陽離子交換基團的基膜和荷正電選擇層的膜結構對于提升膜分離性能(陽離子通量和滲透選擇性)具有非常重要的意義。

 

3 (a) 選用Pristine CEM(b) 選用M-TMA-0.15 wt.%(c) 選用TFCM作為SED中的單價選擇性膜時,進料室、產品室和鹽水室電導率隨時間的變化圖,(d) 選用Pristine CEM(e) 選用M-TMA-0.15 wt.%(f) 選用TFCM作為SED中的單價選擇性膜時,進料室、產品室和鹽水室中Na+濃度、Mg2+濃度隨時間的變化圖, (g) 不同膜的滲透選擇性和陽離子通量(電流密度10 mA·cm-2), (h) TFCM膜離子分離機理(i) M-TMA-0.15 wt.%離子分離機理


  本工作得到國家自然科學基金(21878062)、黑龍江省杰出青年科學基金(JQ2020B001)、黑龍江頭雁團隊(HITTY-20190033)、城市水資源與環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)開放課題項目(QA202127)的資助。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.020


  作者介紹


  邵路教授為英國皇家化學會會士、中國化工學會分子辨識分離工程專委會委員、黑龍江省杰出青年科學基金獲得者,任領域內多個國際權威期刊的副主編(Advanced Composites & Hybrid Materials)、顧問編委(ACS ES&T Engineering)及編委(Journal of Membrane Science, Advanced Membranes、Scientific Reports)等職務。邵路教授團隊長期從事膜材料與膜分離的研究,先后在碳捕集氣膜、耐有機溶劑分離膜、水處理納濾/超濾/微濾及特種分離膜方向取得了系列突破性成果并在多個企業規模化應用,為習近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的思想和我國“碳達峰、碳中和”的莊嚴承諾提供先進的技術支撐。邵路教授曾獲得黑龍江省自然科學二等獎1項(第一)、黑龍江省自然科學一等獎1項(第二)等多項省部級獎項,已經作為通訊/第一作者在PNAS、Science Advances、Nature Communications、Energy Environmental Science、Journal of Membrane Science、Chemical Engineering Science、AIChE J.、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等領域內高影響力國際期刊發表論文150余篇,SCI引用8200次,H-index=55。


  邵路教授鏈接:http://homepage.hit.edu.cn/shaolu  

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(責任編輯:xu)
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