MOFs衍生物掺杂sPPO膜的制备及在盐差能提取中的应用研究

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能源在社会经济发展中起着非常重要的作用。盐差能是来源于海洋的一种清洁可再生能源。目前,应用于盐差能转换的技术很多,反电渗析(reverse electrodialysis,RED)技术就是其中一种。离子交换膜(ion exchange membranes,IEMs)作为RED系统的核心组件,在盐产能提取中发挥着非常重要的作用。有机无机纳米复合膜作为一种新型的离子交换膜,它结合了有机膜与无机纳米颗粒的优点,可以有效提高RED系统的产能。本研究利用共混法将金属有机骨架(MOF)衍生的纳米多孔碳(hollow ZIFs-derived nanoporous carbons,HZCs)加入到磺化聚2,6-二甲基-1,4-苯醚(sulfonated poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide),s PPO)膜中,制备有机-无机纳米复合阳离子交换膜。对合成的HZCs/s PPO复合膜的形貌进行了表征,同时考察复合膜的机械性能和热性能。结果表明,制备出的复合膜的厚度大约为20μm,膜结构致密,无明显的缝隙。随着HZCs添加量的增多,膜表面变得粗糙,膜的微观结构改变。负载HZCs前后的膜的热性能无明显的变化,但是膜的机械性能随着添加量的改变发生明显的变化。电化学性能实验的研究表明,加入HZCs可以改善有机基膜的物化性能和RED系统的产能。研究发现,当HZCs添加量为1.0 wt.%时,纳米复合膜的选择透过性最高为77.61%,面电阻最低为0.42Ω·cm~2,在RED系统中的总功率密度为0.45 W/m~2,比空白s PPO膜高87.5%(约1.87倍)。因此,适量HZCs的加入可以改善离子交换膜的性能,有效提高RED系统的产能。影响RED系统发电的因素有很多,其中,运行条件是影响RED的发电性能的主要因素之一。本研究选择HZCs添加量为1.0 wt.%时的纳米复合阳离子交换膜(cation exchange membranes,CEMs)为RED系统的阳膜,商业阴离子交换膜(anion exchange membranes,AEMs)为阴膜,通过自组装的RED系统,考察了运行条件对RED系统产能的影响。结果表明,料液循环时间越长,RED系统的发电密度越小。进料流速越快,RED系统的发电密度越大。采用下进上出的进料方式时获得的RED发电密度最大,而上出下进的进料方式得到的发电密度最小。当浓溶液和稀溶液的浓差越大时,RED的发电密度越大。该论文有图21幅,表7个,参考文献105篇。
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