電位-電場耦合電控離子選擇滲透(ESIP)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.pdf

1、電控離子交換（ESIX）是上世紀(jì)九十年代由美國太平洋西北實(shí)驗(yàn)室提出的一種新型的離子處理技術(shù)。由于電極電位是其主要的推動力，因此ESIX是一種環(huán)境友好的離子處理方法。然而傳統(tǒng)的ESIX通常是間歇操作過程，阻礙了其進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用推廣。
　　為了實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)離子連續(xù)高效的電控分離（促進(jìn)其工業(yè)應(yīng)用），本課題組提出了電控離子選擇滲透（ESIP）的概念，并以不銹鋼絲網(wǎng)（SSWM）作為導(dǎo)電基體制備的PPy/PSS ESIP膜為例，對不同電路連

2、接方式的五種電控離子傳遞系統(tǒng)的離子傳遞通量以及影響機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明，本課題組提出的電位-電場耦合的電控離子選擇系統(tǒng)在這五種離子傳遞系統(tǒng)中具有最高離子傳遞通量，并且發(fā)現(xiàn)在膜氧化還原程度相同的情況下（施加相同的膜電位），離子的定向遷移推動力對離子傳遞通量具有很大影響。因此，將上述高通量的電位-電場耦合的離子傳遞系統(tǒng)應(yīng)用于電控離子選擇滲透（ESIP）過程，并通過開發(fā)針對不同目標(biāo)離子的ESIP膜，可以實(shí)現(xiàn)對不同目標(biāo)離子的

3、高效連續(xù)的電控分離。
　　為了對ESIP過程的選擇滲透機(jī)理進(jìn)行深入的研究，基于PPy/PSS復(fù)合膜的電場-電位耦合電控離子選擇滲透系統(tǒng)用于對稀水溶液中不同堿金屬離子進(jìn)行選擇性電控分離。在這一系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)PPy/PSS膜的氧化還原態(tài)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)離子選擇性的置入/釋放，并且通過巧妙的調(diào)節(jié)施加到膜上的脈沖電位，同時結(jié)合外部電場實(shí)現(xiàn)目標(biāo)離子鉀的連續(xù)選擇性電控分離。在本文中，通過對上述離子傳遞系統(tǒng)的等效電路的理論計(jì)算，分析了上述離子傳遞過程

4、中的陽離子遷移，并且發(fā)現(xiàn)流過原料液及接收液的電流可以反映出兩溶液中的陽離子遷移狀況；同時考察了外加槽電壓以及施加到膜上的脈沖（恒定）電位對于目標(biāo)鉀離子透過膜的滲透選擇性的影響，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，提出了兩種電控離子選擇滲透滲透機(jī)理，膜的吸/脫附選擇性機(jī)理和離子反向脫出選擇性機(jī)理。通過對上述離子滲透選擇性機(jī)理研究，可以對ESIP過程中的操作參數(shù)優(yōu)化以及膜材料的選取和膜的制備提供有力指導(dǎo)。
　　將上述電位-電場耦合的電控離子選擇滲透系

5、統(tǒng)應(yīng)用于水溶液中鈣、鎂離子的去除（水軟化過程），并且開發(fā)了新型的FeHCF-PPy/PSS“三明治”結(jié)構(gòu)的ESIP膜應(yīng)用于上述過程。在此系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)ESIP膜的氧化/還原態(tài)實(shí)現(xiàn)水溶液中目標(biāo)離子有效的置入/釋放，并且結(jié)合外部電場實(shí)現(xiàn)了鈣、鎂硬度離子的連續(xù)選擇性分離。在此研究中，通過上述系統(tǒng)的等效電路圖詳細(xì)地分析了上述ESIP過程的離子傳遞驅(qū)動力，并且發(fā)現(xiàn)在SSWM與PPy/PSS層之間的FeHCF夾層對于去除水溶液中的鈣、鎂離子起到重

6、大作用，由于FeHCF夾層所導(dǎo)致的活性膜層與SSWM基體之間的界面電荷傳遞改善以及膜表面形貌的改變明顯的提高了膜的電活性，強(qiáng)化了膜對鈣、鎂硬度離子的去除效率。本文考察了外加槽電壓，以及施加到膜上的脈沖（恒定）電位對于鈣、鎂離子分離的影響。實(shí)驗(yàn)表明，相比于恒定電位，施加到膜上的脈沖電位更有利于提高膜的去除效率。通過施加±2.0 V的脈沖電位以及5.0 V的槽電壓，對于初始濃度為10 mM（1000 ppm(CaCO3)）的鈣離子水溶液，其