关键词:
竹纤维
再生纤维素膜
多孔结构
离子选择性传输
盐差能
摘要:
存在于海水与河水交汇处的盐差能,也称为“蓝色能源”,是一种储量丰富且可持续的清洁能源,其开发和利用有助于缓解能源危机和生态环境保护。反电渗析体系(RED)是收集海洋盐差能的主要方式,其高效获取盐差能的关键在于优异离子选择性的交换膜。目前,盐差能转化的交换膜主要由二维无机材料(如氮化硼、石墨烯和二硫化钼)和合成有机材料(如聚苯乙烯磺酸、聚烯烃、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯)构成。但二维无机材料离子交换膜的生产成本高、加工复杂;合成有机材料离子交换膜存在不可降解、易污染环境等问题,限制离子交换膜和盐差能收集的进一步发展和应用。因此,本研究以天然竹纤维素为原料,通过溶解再生技术制备绿色的再生纤维素膜,研究其离子选择性传输机制并构建盐差发电器件,论文具体内容如下:
(1)利用1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物([AMIM]Cl),溶解竹纤维素制备再生纤维素膜。研究结果表明再生纤维素膜的机械性能随着膜厚度增加呈现先上升后下降的趋势:厚度为32μm再生纤维素膜的拉伸强度为92 Mpa;厚度为56μm再生纤维素膜的拉伸强度为124Mpa;厚度为108μm再生纤维素膜的拉伸强度为115 Mpa。随着再生纤维素膜的厚度增加,其平均孔径随之减小:厚度为32μm再生纤维素膜的平均孔径为8.55 nm,厚度108μm再生纤维素膜的孔径为4.68nm,因此,32μm厚度再生纤维素膜的平均孔径更接近迪拜长度(9.6nm),有利于体系中离子选择性的传输,其离子电导率为0.099 m S/cm。利用再生纤维素膜组装盐差发电器件,厚度为32μm再生纤维素膜表现出更高的开路电压、短路电流和功率密度,在50倍盐浓度梯度下,再生纤维素膜具有76 m V的开路电压、59μA的短路电流,以及5.31m W/m2的功率密度。
(2)利用2,3环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)季铵化改性纤维素,可构建阳离子化再生纤维素膜(PPC膜)。研究表明,EPTAC改性可以转化纤维素分子羟基为季铵基团,因此PPC膜的红外光谱图中产生明显的C-N伸缩振动峰,且随着EPTAC用量的增加,PPC膜的表面电荷由负电性转变为正电性,其Zeta电位由-25.1 m V变化为14 m V。在50倍盐浓度梯度条件下,PPC膜的功率密度和电流密度分别为3.8 W/m2、182.9 A/m2(KCl体系);2.2 W/m2、120.1 A/m2(Na Cl体系);1.8 W/m2、115.2 A/m2(Li Cl体系)。此外,PPC膜展现优异的稳定性,在p H为3和p H为12的盐溶液中浸泡仍然具有完整的结构,在运行60天其功率密度仍然为2.2 W/m2
(3)在PPC膜的制备过程中通过引入聚乙二醇(PEG),可以有效调控纤维素膜的孔结构,构建多孔阳离子化再生纤维素膜(PSC膜)。研究结果显示:随着PEG用量的增加,PSC膜展现高的孔隙率和优异的亲水性。当PEG用量从0%增加至2%wt时,PSC膜的孔隙率从68%提高至88%,接触角从71.9°降低至37.4°。当PEG的用量为0.1%wt时,PSC膜具有较多的纳米孔,其孔容积(直径小于10 nm)为0.083×10-4cm3/g,高于原始的PCC膜的0.057×10-4cm3/g,这些纳米孔为PSC膜的选择性传输离子提供保障。随着PEG含量的进一步提高,PSC膜的纳米孔遭到破坏,形成体积较大的孔道,不利于离子的选择性传输,从而降低其电学性能。在50倍的盐浓度梯度条件下,0.1%wt PEG用量的PSC膜的功率密度和电流密度分别为5.8 W/m2、328.1 A/m2,2%wt PEG用量的PSC膜的功率密度和电流密度分别为2.9 W/m2、179.2 A/m2。此外,PSC膜构建的盐差发电器件在连续运行超过80000 s后,其功率密度仍稳定在5.9 W/m2。