济南大学薛国斌和刘宏团队CEJ:通过絮凝抽滤制备具有介孔结构的层状离子选择性膜用于渗透能量转换和脱盐

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引言

能源短缺和水资源短缺是全球可持续发展面临的两大挑战。海洋蕴藏着丰富的可再生能源和洁净的水，如果可以得以开发利用将会极大缓解水能危机问题。电渗析(ED)和反电渗析(RED)是开发海洋两种有效的膜工艺技术。离子选择性膜的性能是二者的核心。但是，如何在保证膜选择性不变的前提下尽可能降低膜电阻是研究的难点。

成果简介

有鉴于此，济南大学前沿交叉科学研究院薛国斌教授和刘宏教授团队，通过对絮凝的氧化石墨烯(GO)/纤维素纳米纤维(CNF)/离子聚合物溶液进行真空过滤, 制备了具有介孔结构的离子选择性膜，该膜在不损失选择性的基础上显著降低了膜电阻，并且具有良好的机械强度和稳定性。凭借以上优异的膜性能，在人工海水(0.5 M NaCl)与淡水(0.01 M NaCl)混合时的最大功率密度可以达到5.87 W M ^-2，远高于工业离子交换膜的功率密度。并且在海水淡化系统具有良好的脱盐能力。在电渗析过程中，盐水电导率从12300 μS cm^-1迅速下降到36 μS cm^-1，表明了氧化石墨烯离子选择性膜在海水淡化中的潜力。这种在层膜中构建介孔结构的设计策略将有助于促进离子选择膜的发展，促进渗透能量收集和海水淡化。该成果以题为“Flocculating-Filtration-Processed Mesoporous Structure in Laminar Ion-selective Membrane for Osmosis Energy Conversion and Desalination” 发表于Chemical Engineering Journal（doi.org/10.1016/j.cej.2022.135484）上。该论文第一作者为前沿交叉科学研究院孙天宇。

图文导读

图1 利用氧化石墨烯膜进行渗透能量转换和脱盐的原理图

(a和b)氧化石墨烯用PAAS和PEI分子进行化学修饰，得到相应的XPS光谱。(c和d)三室电化学电池的能量转换和脱盐过程示意图。SW,海水;RW,河水。

图2 氧化石墨烯膜的表征

(a)电化学法制备浓度为3mg mL^-1的GO溶液的照片。

(b) pH=3的絮凝n-GO溶液(1 mg mL^-1)的照片。

(c) pH=3时絮凝的p-GO溶液(1 mg mL^-1)的照片。

(d)氧化石墨烯片AFM图像。蓝线标记的是区域的高度。

(e) 不同pH值下GO、GO/PAAS和GO/PEI的Zeta电位。

(f和g)自支撑和柔性的n-GOM和p-GOM的照片。

(h和i) n-GOM和p-GOM的SEM图像。

(j) n-GOM和p-GOM的x射线衍射(XRD)图。

(k) GOM、n-GOM和p-GOM的断裂韧性。

图3 介孔结构和厚度对跨膜离子迁移的影响

(a)纳米通道中离子输运途径示意图。

(b)GOM氮吸附/脱附等温线。插图中为GOM对应的孔径分布。

(c) n-GOM的氮吸附/脱附等温线。图解表示n-GOM中相应的孔隙大小分布。(d)电化学测试装置示意图。

(e和f) n/p-GOM、GOM和商用离子选择膜的电流电压曲线。浓度梯度为0.5 M/0.01 M。

(g)不同厚度n-GOM的开路电压和短路电流。

(h)势剖面的数值模拟。这里电荷密度设为负值。

图4 GOM的跨膜离子迁移

(a和b) 分别为n-GOM和p-GOM的电流电压曲线。

(c) n-GOM和p-GOM的电导随盐浓度的变化。

(d和e) 随着NaCl浓度梯度的增加，n-GOM和p-GOM的膜电位和扩散电流密度，低浓度侧固定在0.001 M。

(f) 阳离子转移数(t+)作为电荷选择性的度量。

图5 GOM的渗透能转换行为

(a)三室电化学电池发电过程示意图。

(b)器件的电流电压响应。

(c)中间隔室放置河水时，电流密度和输出功率密度随负载电阻的变化。

(d)盐类型对功率密度的影响。

(e) RED装置在人工海水和河水下的稳定性。

(f)不同测试区域的功率密度。

图6 GOM的海水淡化行为

(a)三室电化学池脱盐工艺示意图。

(b和c) 0.5 M NaCl溶液在不同偏置电压下脱盐时的电流密度和溶液电导率曲线。

(d和 e) 偏置电压2v下，不同盐溶液脱盐时电流密度和溶液电导率曲线。

小结

综上所述，我们设计了高强度n/p-GOM，其具有优异的离子选择性，可通过真空过滤絮凝的GO/CNF/离子聚合物溶液进行渗透能量转换和脱盐。由于絮凝过程，在这些层状膜中构建了介孔结构。由于介孔结构，与通常的GOMs相比，较不曲折的传输路径具有相同的选择性并增加了渗透率。通过在三室电化学池中混合人工海水和河水，我们获得了5.87 W m^-2的输出功率密度，这是报告的最佳值之一。我们还通过反向过程展示了这些GOM的脱盐能力，其中人工海水的电导率从12.3 mS cm^-1降低到36μS cm^-1。这种在层状膜中构建介孔结构的设计策略将有助于促进离子选择性膜的发展，推进渗透能收集和海水淡化。

济南大学前沿交叉科学研究院 

地址：山东省济南市南辛庄西路336号 济南大学 逸夫科学楼邮编：250022

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722009871

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