[發(fā)明專利]一種高強(qiáng)、高離子選擇性薄膜的制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110987828.0
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113683799B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱英;陳亞蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08J3/24;C08L5/08;C08L1/02;C08L97/00;C08L5/04;C08K3/011;H02N3/00;H02N11/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 李曉莉;江亞平

本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)、高離子選擇性薄膜、制備方法與應(yīng)用。薄膜是金屬離子為交聯(lián)劑，與生物質(zhì)高分子進(jìn)行交聯(lián)，得到生物質(zhì)?金屬離子交聯(lián)薄膜。所述方法包括以下步驟：1)配置一定濃度的金屬鹽溶液以及一定濃度的生物質(zhì)溶液；2)稱取生物質(zhì)溶液，加入金屬鹽溶液使兩者進(jìn)行交聯(lián)，室溫晾干得到生物質(zhì)高強(qiáng)交聯(lián)薄膜。所制備的交聯(lián)薄膜在鹽差發(fā)電中的應(yīng)用。本發(fā)明降低了污染環(huán)境的問題和成本，有效地優(yōu)化了薄膜的力學(xué)性能，方法簡單，可大規(guī)模制備不同鹽溶液濃度和不同厚度的交聯(lián)薄膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)、高離子選擇性薄膜、制備方法與應(yīng)用，屬于離子選擇性薄膜制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在化石等不可再生能源快速消耗、環(huán)境日益惡化的背景下，探索清潔、可再生能源來滿足人類社會對能源的需求對人類文明的生存和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。存在于海水和淡水之間的鹽差能被譽(yù)為是“藍(lán)色能源”，是一種清潔、可持續(xù)的能源，這種能源可再生、對環(huán)境無污染、零排放，并且與風(fēng)能、太陽能等相比，鹽差能不會受到天氣、地理位置等客觀因素的影響，更加適合人類的發(fā)展。但是有效地提取它作為一種有用的能量形式，對于目前的技術(shù)來說仍然是一種挑戰(zhàn)。迄今為止，基于膜技術(shù)的鹽差能的提取如反電滲析法，由于其安全性高、操作簡單、靈活性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢備受關(guān)注。在反向電滲析技術(shù)中，離子選擇性膜是將鹽差能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵材料，膜的離子選擇性決定了膜的性能，而滲透性限制了膜的輸出功率密度。在滲透性和選擇性之間取得平衡已成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

近年來，由于，高分子薄膜成本低、資源廣泛，高分子基離子選擇性薄膜被開發(fā)用于鹽度梯度驅(qū)動的功率轉(zhuǎn)換。例如，朱等人設(shè)計(jì)的兩個帶負(fù)電荷的離子交聯(lián)聚合物六磺化聚芳醚酮和帶正電荷的修飾吡啶的聚醚砜組合通過旋轉(zhuǎn)涂布獲得三維多孔結(jié)構(gòu)與不對稱膜納米通道，在海水和河水體系中表現(xiàn)出功率密度為2.66W m^-2。申請?zhí)枮镃N201910848756.4的中國專利采用紫外光輻照方法制備了高密度雜化梯級孔離子選擇性膜。此發(fā)明通過設(shè)計(jì)合成紫外光斷鍵、交聯(lián)的嵌段共聚物，利用嵌段共聚物組裝體實(shí)現(xiàn)了大面積有序的超高的孔密度自支撐膜，再通過具有三維結(jié)構(gòu)的聚乙烯亞胺分子對納米孔道進(jìn)行精確的界面修飾。超高的孔密度和電荷密度帶來的離子傳輸量和離子選擇性可以實(shí)現(xiàn)其在鹽差發(fā)電方面的優(yōu)異性能，在500倍電解液濃度梯度下輸出功率密度最大為22.1Wm^-2。申請?zhí)枮镃N201710374911.4的中國專利采用溶劑退火方法制備了嵌段共聚物膜與功能性孔離子選擇性膜。此發(fā)明通過溶劑退火，使嵌段共聚物膜中的無規(guī)通道垂直貫通，一方面減小了離子傳輸?shù)挠行Ь嚯x，減小了阻抗，另一方面也增大了有效的功能區(qū)長度，大幅度提高了離子選擇性，復(fù)合離子通道鹽差發(fā)電薄膜的鹽差發(fā)電功率密度為0.70Wm^-2。然而，聚合物基離子選擇性力學(xué)性能差，膜的性質(zhì)容易受到海水或河水的影響，從而影響了膜的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。另外，聚合物基膜的制備過程復(fù)雜或原料昂貴，難以規(guī)模化制備。此外，鹽差能轉(zhuǎn)換過程中的能量損失也可能阻礙其應(yīng)用。為了保持經(jīng)濟(jì)相關(guān)性，該行業(yè)的最終目標(biāo)是確保輸出功率密度高于5Wm^-2。因此，開發(fā)一種力學(xué)性能優(yōu)異、高功率密度、可規(guī)劃規(guī)模化制備的離子選擇性膜是實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對目前離子選擇性薄膜存在的問題，提供一種高強(qiáng)、高離子選擇性薄膜、制備方法與應(yīng)用。所述的高強(qiáng)、高離子選擇性薄膜為生物質(zhì)-金屬離子交聯(lián)膜，實(shí)現(xiàn)鹽差的高效轉(zhuǎn)化。所述薄膜，可大規(guī)模制備、成本低廉、工藝簡單、機(jī)械強(qiáng)度高。所述生物質(zhì)高分子材料包括纖維素、木質(zhì)素、殼聚糖、藻酸鈉、兒茶素和甲殼素中的一種、兩種或多種，金屬離子包括Al³⁺、Ca²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺和Sn⁴⁺中的一種、兩種或多種。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種高強(qiáng)、高離子選擇性薄膜，所述薄膜為金屬離子和生物質(zhì)交聯(lián)膜。其中，金屬離子為交聯(lián)劑。以交聯(lián)膜總重量計(jì)，所述交聯(lián)膜中生物質(zhì)的重量百分含量為80％-98％。