強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜制備與性能研究一、引言1.1研究背景在現(xiàn)代工業(yè)與日常生活中，水資源的高效利用與凈化處理至關(guān)重要。納濾膜作為一種重要的膜分離技術(shù)，在水處理、鹽湖提鋰等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它是介于反滲透膜和超濾膜之間的壓力驅(qū)動膜，截留分子量通常在200-1000之間，能夠依據(jù)分子大小、電荷特性等對不同物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離。在水處理領(lǐng)域，納濾膜可有效去除水中的硬度離子、重金屬離子、小分子有機物以及微生物等雜質(zhì)，為生產(chǎn)高品質(zhì)的飲用水和工業(yè)用水提供了可靠保障。例如，在去除水中的鈣、鎂離子時，納濾膜能顯著降低水的硬度，防止管道和設(shè)備結(jié)垢，延長其使用壽命。在應(yīng)對含重金屬離子的廢水處理時，納濾膜可憑借其特殊的分離性能，將重金屬離子截留，從而實現(xiàn)廢水的達(dá)標(biāo)排放與重金屬資源的回收利用，對環(huán)境保護(hù)具有重要意義。在鹽湖提鋰領(lǐng)域，隨著全球?qū)︿囐Y源需求的急劇增長，鹽湖鹵水作為鋰資源的重要來源，其高效提鋰技術(shù)備受關(guān)注。納濾膜基于Donnan效應(yīng)、孔徑篩分、介電效應(yīng)等多機制協(xié)同作用，對二價及以上的高價離子有較高的截留率，對一價離子有較高透過率，進(jìn)而實現(xiàn)不同價態(tài)離子的分離。鹽湖鹵水中鎂、鋰元素共生，且鎂、鋰的物化性質(zhì)極為相似，傳統(tǒng)方法分離難度大。而納濾膜能夠截留二價的鎂離子，使一價的鋰離子透過，有效降低鹵水中的鎂鋰比，為后續(xù)鋰的提取創(chuàng)造有利條件，降低了提鋰難度，在鹽湖提鋰工藝中發(fā)揮著不可或缺的作用，對保障鋰資源的可持續(xù)供應(yīng)具有重要戰(zhàn)略意義。荷正電納濾膜作為納濾膜的重要分支，具有獨特的性能優(yōu)勢，在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的重要性。在處理一些特定物質(zhì)時，荷正電納濾膜能夠利用其表面的正電荷與帶負(fù)電物質(zhì)之間的靜電吸引作用，實現(xiàn)高效分離與富集。然而，當(dāng)前荷正電納濾膜在實際應(yīng)用中仍面臨諸多問題。部分荷正電納濾膜的穩(wěn)定性欠佳，在復(fù)雜的使用環(huán)境下，如高鹽度、酸堿性變化較大的溶液中，其荷電性能容易受到影響，導(dǎo)致分離效率下降。一些荷正電納濾膜的制備成本較高，限制了其大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。此外，在某些應(yīng)用場景中，其對特定離子的選擇性分離能力還有待進(jìn)一步提升，以滿足日益嚴(yán)格的分離要求。為了克服上述問題，強化Donnan排斥效應(yīng)成為優(yōu)化荷正電納濾膜性能的關(guān)鍵研究方向之一。Donnan排斥效應(yīng)是指當(dāng)帶電荷的膜與電解質(zhì)溶液接觸時，由于膜表面電荷與溶液中離子電荷的相互作用，使得膜對不同價態(tài)離子產(chǎn)生選擇性透過的現(xiàn)象。通過強化這一效應(yīng)，可以顯著提高荷正電納濾膜對多價陽離子的截留性能，增強其對單價陽離子和多價陽離子的分離效率，從而提升納濾膜在鹽湖提鋰、廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用效果。季銨功能化作為一種有效的手段，為強化Donnan排斥效應(yīng)提供了新的途徑。季銨基團(tuán)具有較強的正電性和化學(xué)穩(wěn)定性，將其引入荷正電納濾膜中，能夠增加膜表面的正電荷密度，優(yōu)化膜的電荷分布，進(jìn)而增強膜對多價陽離子的排斥作用，強化Donnan排斥效應(yīng)。同時，季銨功能化還可能改善膜的親水性、抗污染性等性能，提高納濾膜的綜合性能。因此，開展強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜制備的研究，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，有望為納濾膜技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來新的突破。1.2研究目的與意義本研究旨在通過對荷正電納濾膜進(jìn)行季銨功能化改性，制備出具有強化Donnan排斥效應(yīng)的荷正電納濾膜，深入探究其制備工藝、結(jié)構(gòu)特征、性能表現(xiàn)以及相關(guān)作用機理，以提升納濾膜的離子選擇性和綜合性能，拓展其在鹽湖提鋰、廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。從理論層面來看，深入研究季銨功能化對荷正電納濾膜結(jié)構(gòu)與性能的影響，有助于揭示納濾膜的分離機制，尤其是強化Donnan排斥效應(yīng)的微觀作用原理，豐富和完善荷正電納濾膜的理論體系。通過研究膜表面電荷分布、孔徑結(jié)構(gòu)與離子傳輸之間的關(guān)系，為納濾膜的分子設(shè)計和性能優(yōu)化提供堅實的理論基礎(chǔ)，推動膜分離技術(shù)的基礎(chǔ)研究向更深層次發(fā)展，為開發(fā)新型高性能納濾膜提供理論指導(dǎo)。在實際應(yīng)用方面，本研究成果具有重要的現(xiàn)實意義。在鹽湖提鋰領(lǐng)域，所制備的強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜，能夠顯著提高鎂鋰分離效率，降低鹵水中的鎂鋰比，為后續(xù)鋰的提取創(chuàng)造有利條件，有助于突破現(xiàn)有鹽湖提鋰技術(shù)中鎂鋰分離困難的瓶頸，提高鋰資源的回收率和純度，對保障我國鋰資源的穩(wěn)定供應(yīng)和新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。同時，在含重金屬離子的廢水處理領(lǐng)域，該納濾膜可憑借其優(yōu)異的離子選擇性，有效截留廢水中的重金屬離子，實現(xiàn)廢水的達(dá)標(biāo)排放與重金屬資源的回收利用，降低重金屬對環(huán)境的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益。此外，本研究對于推動荷正電納濾膜的工業(yè)化應(yīng)用也具有積極的促進(jìn)作用。通過優(yōu)化制備工藝，提高膜的性能和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，有望解決當(dāng)前荷正電納濾膜在工業(yè)化應(yīng)用中面臨的諸多問題，促進(jìn)其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推動膜分離技術(shù)的產(chǎn)業(yè)升級，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持和創(chuàng)新動力。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1荷正電納濾膜制備研究荷正電納濾膜的制備技術(shù)不斷發(fā)展，已成為膜分離領(lǐng)域的研究熱點之一。相轉(zhuǎn)化法是較為常用的制備方法，通過將聚合物溶液在凝固浴中發(fā)生相分離，從而形成具有一定孔徑和結(jié)構(gòu)的膜。例如，蹇錫高課題組對聚芳醚砜酮（PPESK）進(jìn)行氯甲基化和季銨化改性得到QAPPESK，再通過相轉(zhuǎn)化的方法制備QAPPESK荷正電納濾膜，該膜對MgCl?的截留率為90%，且具有較好的耐溫性能。界面聚合法也是制備荷正電納濾膜的重要方法。通過將含有活性基團(tuán)的水相和有機相在膜的表面進(jìn)行聚合反應(yīng)，形成具有分離功能的超薄層。煙臺大學(xué)趙玉潮教授課題組以聚乙烯亞胺和對苯二甲酰氯為單體，基于界面聚合反應(yīng)制備了荷正電納濾膜，并利用表面活性和塑化劑對膜表面電荷和孔徑進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了納濾膜分離性能的綜合提升，滲透通量達(dá)9.7L?m?2?h?1?bar?1，且Mn2?、Ni2?、Cu2?和Cd2?的脫除率均達(dá)到為90%以上。此外，還有共混法、復(fù)合法等制備方法。共混法是將荷正電聚合物與其他聚合物或添加劑進(jìn)行共混，以改善膜的性能；復(fù)合法是通過在基膜上復(fù)合一層荷正電材料，形成荷正電納濾膜。不同的制備方法各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。1.3.2Donnan排斥效應(yīng)強化研究強化Donnan排斥效應(yīng)是提高荷正電納濾膜性能的關(guān)鍵。許多研究致力于通過改變膜的結(jié)構(gòu)和組成來增強Donnan排斥效應(yīng)。有研究通過調(diào)整膜表面的電荷密度和分布，來優(yōu)化Donnan排斥效應(yīng)。通過在膜表面引入更多的荷電基團(tuán)，增加膜對離子的選擇性。一些研究采用在膜表面接枝帶電聚合物的方法，來提高膜表面的電荷密度，從而增強Donnan排斥效應(yīng)。還有研究關(guān)注膜的孔徑與電荷分布的協(xié)同作用對Donnan排斥效應(yīng)的影響。適當(dāng)?shù)目讖酱笮】梢允闺x子在膜內(nèi)的傳輸更加順暢，同時結(jié)合電荷的排斥作用，提高離子的選擇性分離效果。通過精確控制膜的制備工藝，實現(xiàn)孔徑與電荷分布的優(yōu)化，以達(dá)到強化Donnan排斥效應(yīng)的目的。1.3.3季銨功能化研究季銨功能化作為一種有效的手段，在荷正電納濾膜制備中得到了廣泛應(yīng)用。將季銨基團(tuán)引入荷正電納濾膜中，能夠增加膜表面的正電荷密度，優(yōu)化膜的電荷分布，進(jìn)而增強膜對多價陽離子的排斥作用，強化Donnan排斥效應(yīng)。有研究通過化學(xué)接枝的方法，將季銨鹽接枝到膜材料表面，制備出具有高電荷密度的荷正電納濾膜。這種膜在處理含多價陽離子的廢水時，表現(xiàn)出優(yōu)異的截留性能和選擇性分離能力。還有研究探索了不同類型的季銨鹽對荷正電納濾膜性能的影響。不同結(jié)構(gòu)的季銨鹽具有不同的電荷密度和空間位阻，會對膜的性能產(chǎn)生不同的影響。通過選擇合適的季銨鹽，并優(yōu)化其引入方式和含量，可以制備出性能更優(yōu)的荷正電納濾膜。1.3.4研究不足與空白盡管在荷正電納濾膜制備、Donnan排斥效應(yīng)強化以及季銨功能化等方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足與空白。部分荷正電納濾膜的穩(wěn)定性和耐久性有待進(jìn)一步提高，在復(fù)雜的使用環(huán)境下，如高鹽度、酸堿性變化較大的溶液中，其荷電性能容易受到影響，導(dǎo)致分離效率下降。一些荷正電納濾膜的制備成本較高，限制了其大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。在季銨功能化的研究中，對于季銨基團(tuán)與膜材料之間的相互作用機制，以及季銨功能化對膜的微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，還需要進(jìn)一步深入研究。目前對于荷正電納濾膜在實際應(yīng)用中的長期性能和穩(wěn)定性研究較少，缺乏對膜在不同工況下的壽命預(yù)測和性能評估。在鹽湖提鋰等領(lǐng)域，荷正電納濾膜面臨著高濃度鹵水、復(fù)雜離子組成等挑戰(zhàn)，如何進(jìn)一步優(yōu)化膜的性能，提高其在實際應(yīng)用中的適應(yīng)性和可靠性，是亟待解決的問題。此外，對于荷正電納濾膜的制備工藝，還需要進(jìn)一步優(yōu)化，以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和降低成本。二、荷正電納濾膜及Donnan排斥效應(yīng)原理2.1荷正電納濾膜概述2.1.1荷正電納濾膜的結(jié)構(gòu)與特點荷正電納濾膜通常具有復(fù)雜而精細(xì)的結(jié)構(gòu)，一般由支撐層、過渡層和分離層組成。支撐層是膜的基礎(chǔ)架構(gòu)，主要起到支撐和承載的作用，為整個膜提供機械強度，確保膜在使用過程中不會發(fā)生破裂或變形。常見的支撐層材料有聚砜、聚丙烯腈等，這些材料具有良好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)不同的使用環(huán)境。過渡層位于支撐層和分離層之間，它的主要作用是改善支撐層與分離層之間的相容性和結(jié)合力，使兩者能夠緊密結(jié)合，同時還可以對分離層的形成和性能產(chǎn)生一定的影響。分離層是荷正電納濾膜實現(xiàn)離子選擇性分離的關(guān)鍵部分，其厚度通常在納米級。分離層中含有豐富的荷正電基團(tuán)，如季銨基團(tuán)、磺酸基團(tuán)等，這些荷正電基團(tuán)賦予了膜表面正電荷特性。正是由于這些正電荷的存在，荷正電納濾膜在離子分離過程中展現(xiàn)出獨特的性能優(yōu)勢。荷正電納濾膜的孔徑分布較為狹窄，一般在1-2nm之間，這種狹窄的孔徑分布使其能夠?qū)Σ煌叽绲姆肿雍碗x子進(jìn)行有效的篩分。當(dāng)溶液通過膜時，大于膜孔徑的分子和離子無法通過，從而被截留，而小于膜孔徑的分子和離子則可以透過膜，實現(xiàn)分離。同時，膜表面的正電荷與帶負(fù)電的離子之間存在靜電吸引作用，與帶正電的離子之間存在靜電排斥作用，這種靜電作用與孔徑篩分效應(yīng)相互協(xié)同，進(jìn)一步增強了膜對離子的選擇性分離能力。荷正電納濾膜的親水性對其性能也有著重要影響。具有良好親水性的膜能夠降低膜與水分子之間的阻力，提高水通量，同時還可以減少溶質(zhì)在膜表面的吸附和沉積，降低膜污染的程度，提高膜的抗污染性能。一些荷正電納濾膜通過在膜材料中引入親水性基團(tuán)，如羥基、羧基等，來提高膜的親水性。荷正電納濾膜還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠在一定的酸堿條件和溫度范圍內(nèi)保持其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，為其在不同的工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了保障。2.1.2荷正電納濾膜的制備方法荷正電納濾膜的制備方法多種多樣，不同的方法具有各自的特點和適用范圍，以下介紹幾種常見的制備方法及其優(yōu)缺點。界面聚合法：界面聚合法是制備荷正電納濾膜的一種重要方法。該方法通常是將含有活性基團(tuán)的水相單體和有機相單體在膜的表面進(jìn)行聚合反應(yīng)，從而在膜表面形成一層具有分離功能的超薄聚酰胺層。在制備過程中，水相單體和有機相單體在界面處迅速反應(yīng)，形成的聚合物層會逐漸生長并致密化。例如，以哌嗪（PIP）為水相單體，均苯三甲酰氯（TMC）為有機相單體，在基膜表面發(fā)生界面聚合反應(yīng)，形成具有荷正電特性的聚酰胺分離層。界面聚合法的優(yōu)點是可以精確控制膜的分離層厚度，能夠制備出超薄的分離層，從而提高膜的水通量和分離效率。通過調(diào)整單體的種類和濃度，可以方便地調(diào)控膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能，實現(xiàn)對不同離子的選擇性分離。這種方法制備的膜具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，適合大規(guī)模生產(chǎn)。然而，界面聚合法也存在一些缺點，如反應(yīng)過程中可能會產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，需要進(jìn)行后續(xù)處理；制備過程較為復(fù)雜，對設(shè)備和工藝條件要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本相對較高。表面接枝法：表面接枝法是將帶有荷正電基團(tuán)的聚合物或單體通過化學(xué)反應(yīng)接枝到膜的表面，從而使膜具有荷正電特性。具體過程可以是先對膜表面進(jìn)行預(yù)處理，引入一些活性基團(tuán)，然后將含有荷正電基團(tuán)的物質(zhì)與膜表面的活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)接枝。例如，通過紫外線引發(fā)接枝的方法，將帶有季銨基團(tuán)的單體接枝到聚偏氟乙烯（PVDF）膜表面。表面接枝法的優(yōu)點是可以在不改變膜整體結(jié)構(gòu)的前提下，對膜表面進(jìn)行改性，賦予膜荷正電性能。這種方法能夠精確控制接枝的位置和數(shù)量，從而實現(xiàn)對膜表面電荷密度和分布的調(diào)控。表面接枝法還可以改善膜的親水性和抗污染性，提高膜的綜合性能。但是，表面接枝法也存在一些不足之處，如接枝反應(yīng)過程較為復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，否則可能會導(dǎo)致接枝不均勻或接枝率低；接枝后的膜在長期使用過程中，接枝物可能會發(fā)生脫落，影響膜的穩(wěn)定性和使用壽命。共混法：共混法是將荷正電聚合物與其他聚合物或添加劑進(jìn)行共混，然后通過相轉(zhuǎn)化等方法制備荷正電納濾膜。在共混過程中，荷正電聚合物均勻分散在其他聚合物基體中，從而使制備的膜具有荷正電性能。例如，將荷正電的聚電解質(zhì)與聚醚砜（PES）進(jìn)行共混，通過浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法制備荷正電納濾膜。共混法的優(yōu)點是制備工藝相對簡單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和工藝條件，成本較低。通過選擇不同的共混物和共混比例，可以方便地調(diào)節(jié)膜的性能。共混法還可以綜合不同聚合物的優(yōu)點，改善膜的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性等。然而，共混法也存在一些問題，如荷正電聚合物在共混體系中的分散性可能不好，導(dǎo)致膜的性能不均勻；共混過程中可能會影響膜的孔徑結(jié)構(gòu)和孔隙率，從而對膜的分離性能產(chǎn)生一定的影響。相轉(zhuǎn)化法：相轉(zhuǎn)化法是通過將聚合物溶液在凝固浴中發(fā)生相分離，從而形成具有一定孔徑和結(jié)構(gòu)的膜。對于荷正電納濾膜的制備，可以在聚合物溶液中加入荷正電物質(zhì)，然后通過相轉(zhuǎn)化過程使荷正電物質(zhì)均勻分布在膜中，賦予膜荷正電性能。例如，將含有荷正電聚合物的溶液通過浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法制備荷正電納濾膜。相轉(zhuǎn)化法的優(yōu)點是可以制備出具有不同孔徑和結(jié)構(gòu)的膜，適用于制備各種類型的荷正電納濾膜。這種方法的制備過程相對簡單，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但是，相轉(zhuǎn)化法制備的膜孔徑分布相對較寬，可能會影響膜的分離精度；膜的性能受制備條件的影響較大，需要精確控制相轉(zhuǎn)化過程中的各種參數(shù)，以確保膜的性能穩(wěn)定。2.2Donnan排斥效應(yīng)原理2.2.1Donnan排斥效應(yīng)的基本概念Donnan排斥效應(yīng)，又稱為道南效應(yīng)，是指當(dāng)帶電荷的膜與電解質(zhì)溶液接觸時，由于膜表面電荷與溶液中離子電荷的相互作用，使得離子在膜表面和溶液本體中的分布呈現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。這種效應(yīng)最早由FrederickG.Donnan于1911年提出，用于解釋離子在半透膜兩側(cè)的不均勻分布。從微觀角度來看，荷正電納濾膜表面帶有正電荷，當(dāng)它與含有陰陽離子的電解質(zhì)溶液接觸時，溶液中的陽離子（如Na?、Mg2?等）會受到膜表面正電荷的靜電排斥作用，使得陽離子在膜表面附近的濃度低于溶液本體中的濃度；而陰離子（如Cl?、SO?2?等）則會受到膜表面正電荷的靜電吸引作用，在膜表面附近的濃度高于溶液本體中的濃度。這種離子濃度在膜表面和溶液本體之間的差異，就是Donnan排斥效應(yīng)的直觀表現(xiàn)。Donnan排斥效應(yīng)與膜的電荷性質(zhì)密切相關(guān)。對于荷正電納濾膜，其表面的正電荷密度越大，對陽離子的排斥作用就越強，對陰離子的吸引作用也越強，Donnan排斥效應(yīng)也就越顯著。膜的電荷分布均勻性也會影響Donnan排斥效應(yīng)。如果膜表面電荷分布不均勻，會導(dǎo)致離子在膜表面的分布更加復(fù)雜，影響離子的傳輸和分離效果。溶液中的離子強度、離子種類等因素也會對Donnan排斥效應(yīng)產(chǎn)生影響。離子強度增加，會壓縮雙電層，減弱Donnan排斥效應(yīng)；不同離子的電荷數(shù)、離子半徑等不同，與膜表面電荷的相互作用也不同，從而導(dǎo)致Donnan排斥效應(yīng)的差異。2.2.2Donnan排斥效應(yīng)在納濾膜中的作用機制在荷正電納濾膜中，Donnan排斥效應(yīng)在離子傳輸過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，深刻影響著離子的截留和透過行為。當(dāng)含有離子的溶液在壓力驅(qū)動下通過荷正電納濾膜時，離子的傳輸不僅受到膜孔徑的篩分作用，還受到Donnan排斥效應(yīng)的影響，二者相互協(xié)同，共同決定了納濾膜的分離性能。從離子截留角度來看，對于多價陽離子，如Mg2?、Ca2?等，由于它們帶有較多的正電荷，與荷正電納濾膜表面的正電荷之間的靜電排斥力較強。根據(jù)庫侖定律，電荷之間的作用力與電荷的乘積成正比，與距離的平方成反比。多價陽離子的電荷數(shù)較多，因此與膜表面正電荷的排斥力較大，這種排斥力阻礙了多價陽離子靠近膜表面，使其難以通過膜孔，從而被截留。相比之下，單價陽離子，如Na?、K?等，雖然也受到膜表面正電荷的排斥作用，但由于其電荷數(shù)較少，排斥力相對較弱，因此有一部分單價陽離子能夠克服這種排斥力，通過膜孔透過膜。對于陰離子，荷正電納濾膜表面的正電荷會對其產(chǎn)生靜電吸引作用，使陰離子在膜表面附近的濃度升高。這種濃度升高會導(dǎo)致陰離子在膜表面形成一個濃度梯度，從而促進(jìn)陰離子向膜孔內(nèi)擴散。然而，陰離子的透過還受到膜孔徑的限制。如果膜孔徑較小，陰離子可能無法通過膜孔，仍然會被截留；只有當(dāng)膜孔徑足夠大，且陰離子能夠克服膜孔內(nèi)的阻力時，陰離子才能夠透過膜。在鹽湖提鋰過程中，鹽湖鹵水中含有大量的Mg2?和Li?，荷正電納濾膜利用Donnan排斥效應(yīng)，對Mg2?產(chǎn)生較強的排斥作用，使其截留率較高；而對Li?的排斥作用相對較弱，Li?能夠較多地透過膜，從而實現(xiàn)鎂鋰的有效分離。在廢水處理中，對于含有重金屬陽離子的廢水，荷正電納濾膜通過Donnan排斥效應(yīng)截留重金屬陽離子，達(dá)到凈化廢水的目的。三、強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜制備方法3.1季銨功能化單體的選擇與合成3.1.1季銨功能化單體的種類及特點季銨功能化單體在荷正電納濾膜的制備中扮演著關(guān)鍵角色，其結(jié)構(gòu)和性能對納濾膜的性能有著重要影響。常見的季銨功能化單體包括2-溴芐胺、3-溴芐胺等。2-溴芐胺的結(jié)構(gòu)中，溴原子與芐基相連，氨基位于芐基的鄰位。這種結(jié)構(gòu)賦予了2-溴芐胺獨特的性能。它具有較高的反應(yīng)活性，溴原子的存在使得其容易與其他物質(zhì)發(fā)生取代反應(yīng)，從而引入季銨基團(tuán)。2-溴芐胺的氨基具有一定的堿性，能夠與酸等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在制備荷正電納濾膜的過程中，可通過與其他單體發(fā)生聚合反應(yīng)，將季銨基團(tuán)引入膜材料中，增加膜表面的正電荷密度。3-溴芐胺與2-溴芐胺結(jié)構(gòu)相似，只是氨基位于芐基的間位。3-溴芐胺同樣具有良好的反應(yīng)活性，其溴原子和氨基的特性使其在制備荷正電納濾膜時，能夠有效地參與反應(yīng)。與2-溴芐胺相比，3-溴芐胺的空間位阻效應(yīng)可能略有不同，這會影響其在聚合反應(yīng)中的反應(yīng)速率和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。在某些情況下，3-溴芐胺可能更有利于形成特定結(jié)構(gòu)的季銨功能化聚合物，從而影響荷正電納濾膜的性能，如膜的孔徑分布、電荷分布等。還有一些其他類型的季銨功能化單體，如含有長鏈烷基的季銨鹽單體。這類單體的長鏈烷基可以增加分子的疏水性，在膜制備過程中，有助于調(diào)整膜的親疏水性平衡，改善膜的抗污染性能。長鏈烷基的存在還可能影響膜的機械性能，使其具有更好的柔韌性和強度。含有特殊官能團(tuán)的季銨功能化單體，如含有羥基、羧基等官能團(tuán)的單體，這些官能團(tuán)可以與其他物質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，從而對膜進(jìn)行功能化改性，提高膜的選擇性和穩(wěn)定性。不同種類的季銨功能化單體具有各自獨特的結(jié)構(gòu)特點和性能優(yōu)勢，在荷正電納濾膜的制備中，需要根據(jù)具體的需求和應(yīng)用場景，合理選擇合適的季銨功能化單體，以實現(xiàn)對膜性能的優(yōu)化。3.1.2季銨功能化單體的合成方法以2-溴芐胺的合成為例，詳細(xì)介紹季銨功能化單體的合成步驟。其合成原料主要選擇芐胺和溴素，芐胺是一種具有堿性的有機化合物，溴素則作為溴原子的引入試劑。在合成過程中，首先將芐胺溶解在適量的有機溶劑中，如無水乙醚或四氫呋喃，形成均勻的溶液。在低溫條件下，一般控制在0-5℃，緩慢滴加溴素。這是因為溴素具有較強的氧化性和揮發(fā)性，低溫滴加可以減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高反應(yīng)的選擇性。滴加過程中，需要不斷攪拌溶液，以確保溴素與芐胺充分接觸，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：C_7H_9N+Br_2\longrightarrowC_7H_8BrN+HBr芐胺與溴素發(fā)生取代反應(yīng)，溴原子取代芐胺中氨基鄰位的氫原子，生成2-溴芐胺和溴化氫。反應(yīng)完成后，需要對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純?？梢圆捎幂腿〉姆椒?，將反應(yīng)液倒入分液漏斗中，加入適量的水和有機溶劑，如二氯甲烷，振蕩后靜置分層。2-溴芐胺易溶于有機溶劑，而溴化氫等雜質(zhì)則溶于水相，通過分液可以初步分離出2-溴芐胺。對有機相進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如用無水硫酸鈉干燥，去除其中的水分。然后通過減壓蒸餾的方法，除去有機溶劑，得到純凈的2-溴芐胺。在減壓蒸餾過程中，需要控制好溫度和壓力，以確保2-溴芐胺能夠順利蒸出，同時避免其分解。對于3-溴芐胺的合成，原料同樣選擇芐胺和溴素。反應(yīng)條件與2-溴芐胺的合成有所不同，一般在較高溫度下進(jìn)行反應(yīng)，如40-50℃，以促進(jìn)溴原子在芐胺氨基間位的取代反應(yīng)。反應(yīng)過程中，同樣需要在有機溶劑中進(jìn)行，如甲苯，以保證反應(yīng)物的充分溶解和反應(yīng)的順利進(jìn)行。其反應(yīng)方程式為：C_7H_9N+Br_2\longrightarrowC_7H_8BrN+HBr反應(yīng)完成后的分離和提純步驟與2-溴芐胺類似，通過萃取、干燥和減壓蒸餾等操作，得到純凈的3-溴芐胺。在合成季銨功能化單體時，原料的純度、反應(yīng)條件的精確控制以及分離提純的效果，都會對單體的質(zhì)量和性能產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響荷正電納濾膜的制備和性能。3.2納濾膜的制備工藝3.2.1界面聚合法制備荷正電納濾膜的工藝流程本研究采用界面聚合法制備強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜，具體工藝流程如下：溶液配制：水相單體溶液：準(zhǔn)確稱取一定量的季銨功能化單體，如前文合成的2-溴芐胺或3-溴芐胺，將其溶解于去離子水中，配制成濃度為0.1-0.5mol/L的水相單體溶液。為了促進(jìn)單體的溶解和均勻分散，可在磁力攪拌器上攪拌30-60分鐘，確保溶液中不存在未溶解的顆粒。有機相單體溶液：選擇合適的有機相單體，如均苯三甲酰氯（TMC），將其溶解于有機溶劑中，如正己烷，配制成濃度為0.01-0.05mol/L的有機相單體溶液。在配制過程中，需注意均苯三甲酰氯的穩(wěn)定性，避免其與水分接觸發(fā)生水解反應(yīng)。同樣在磁力攪拌器上攪拌15-30分鐘，使有機相單體充分溶解。膜浸漬：將經(jīng)過預(yù)處理的基膜，如聚砜超濾基膜，緩慢浸入配制好的水相單體溶液中，確?；ね耆]。浸漬時間控制在5-15分鐘，使水相單體充分吸附在基膜表面。在浸漬過程中，可輕輕晃動容器，以促進(jìn)水相單體在基膜表面的均勻分布。浸漬完成后，將基膜從水相單體溶液中取出，用濾紙輕輕吸干基膜表面多余的溶液，避免溶液殘留影響后續(xù)反應(yīng)。聚合反應(yīng)：將吸干表面溶液的基膜迅速轉(zhuǎn)移至有機相單體溶液中，使基膜表面的水相單體與有機相單體在界面處發(fā)生聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，反應(yīng)時間為2-5分鐘。在反應(yīng)過程中，可觀察到基膜表面逐漸形成一層致密的聚酰胺分離層。這是因為水相單體和有機相單體在界面處迅速反應(yīng)，形成的聚合物逐漸生長并交聯(lián)，從而形成具有分離功能的薄膜。熱處理：聚合反應(yīng)結(jié)束后，將帶有聚酰胺分離層的基膜從有機相單體溶液中取出，用去離子水沖洗多次，以去除基膜表面殘留的有機相單體和副產(chǎn)物。然后將基膜置于烘箱中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度控制在70-90℃，時間為5-10分鐘。熱處理的目的是進(jìn)一步增強聚酰胺分離層的交聯(lián)程度，提高膜的穩(wěn)定性和性能。在熱處理過程中，需注意控制烘箱的溫度均勻性，避免膜因受熱不均而產(chǎn)生缺陷。經(jīng)過熱處理后的膜，即為強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜，可用于后續(xù)的性能測試和應(yīng)用研究。3.2.2制備過程中的關(guān)鍵參數(shù)控制在界面聚合法制備荷正電納濾膜的過程中，多個關(guān)鍵參數(shù)對膜的性能有著顯著影響，通過實驗數(shù)據(jù)詳細(xì)分析這些參數(shù)優(yōu)化的重要性。水相單體濃度：水相單體濃度是影響膜性能的重要因素之一。當(dāng)水相單體濃度過低時，參與聚合反應(yīng)的單體數(shù)量不足，導(dǎo)致聚酰胺分離層的厚度較薄，膜的截留性能較差。隨著水相單體濃度的增加，聚酰胺分離層的厚度逐漸增加，膜對離子的截留率也隨之提高。當(dāng)水相單體濃度過高時，會導(dǎo)致聚合反應(yīng)過于劇烈，生成的聚酰胺分離層結(jié)構(gòu)過于致密，水通量大幅下降。通過實驗，以2-溴芐胺為水相單體，當(dāng)水相單體濃度從0.1mol/L增加到0.3mol/L時，膜對Mg2?的截留率從60%提高到85%，而水通量從20L?m?2?h?1下降到10L?m?2?h?1。因此，選擇合適的水相單體濃度對于平衡膜的截留性能和水通量至關(guān)重要，本研究中適宜的水相單體濃度為0.2-0.3mol/L。有機相單體濃度：有機相單體濃度同樣對膜性能有重要影響。較低的有機相單體濃度會使聚合反應(yīng)不完全，聚酰胺分離層的交聯(lián)度較低，膜的穩(wěn)定性和截留性能較差。隨著有機相單體濃度的升高，聚酰胺分離層的交聯(lián)度增加，膜的截留性能提高。過高的有機相單體濃度會導(dǎo)致膜表面的聚酰胺分離層過于致密，水通量降低，同時還可能增加生產(chǎn)成本。以均苯三甲酰氯為有機相單體進(jìn)行實驗，當(dāng)有機相單體濃度從0.01mol/L增加到0.03mol/L時，膜對Mg2?的截留率從70%提高到90%，水通量從18L?m?2?h?1下降到8L?m?2?h?1。綜合考慮，本研究中有機相單體濃度控制在0.02-0.03mol/L較為合適。浸漬時間：基膜在水相單體溶液中的浸漬時間會影響水相單體在基膜表面的吸附量和分布均勻性。較短的浸漬時間，水相單體在基膜表面吸附不足，導(dǎo)致聚酰胺分離層的形成不完整，膜的性能不穩(wěn)定。隨著浸漬時間的延長，水相單體在基膜表面的吸附量增加，分布更加均勻，有利于形成完整且性能良好的聚酰胺分離層。當(dāng)浸漬時間過長時，可能會導(dǎo)致基膜溶脹，影響膜的結(jié)構(gòu)和性能。實驗結(jié)果表明，當(dāng)浸漬時間從5分鐘延長到10分鐘時，膜對Mg2?的截留率從75%提高到85%，而當(dāng)浸漬時間延長到15分鐘時，膜的水通量出現(xiàn)明顯下降。因此，本研究中適宜的浸漬時間為10-12分鐘。聚合反應(yīng)時間：聚合反應(yīng)時間對聚酰胺分離層的結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響。較短的聚合反應(yīng)時間，聚合反應(yīng)不充分，聚酰胺分離層的厚度較薄，交聯(lián)度較低，膜的截留性能較差。隨著聚合反應(yīng)時間的延長，聚酰胺分離層逐漸生長和交聯(lián)，膜的截留性能提高。過長的聚合反應(yīng)時間，會使聚酰胺分離層過度交聯(lián)，結(jié)構(gòu)過于致密，導(dǎo)致水通量降低。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚合反應(yīng)時間從2分鐘延長到3分鐘時，膜對Mg2?的截留率從80%提高到88%，而當(dāng)聚合反應(yīng)時間延長到4分鐘時，水通量從15L?m?2?h?1下降到10L?m?2?h?1。因此，本研究中聚合反應(yīng)時間控制在3-3.5分鐘為宜。熱處理溫度和時間：熱處理溫度和時間對膜的性能也有著重要影響。適當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟群蜁r間可以增強聚酰胺分離層的交聯(lián)程度，提高膜的穩(wěn)定性和截留性能。當(dāng)熱處理溫度過低或時間過短時，聚酰胺分離層的交聯(lián)不充分，膜的性能不穩(wěn)定。隨著熱處理溫度的升高和時間的延長，聚酰胺分離層的交聯(lián)程度增加，膜的穩(wěn)定性和截留性能提高。過高的熱處理溫度或過長的時間，可能會導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)破壞，性能下降。實驗結(jié)果表明，當(dāng)熱處理溫度從70℃升高到80℃，時間從5分鐘延長到8分鐘時，膜對Mg2?的截留率從85%提高到92%，而當(dāng)熱處理溫度升高到90℃，時間延長到10分鐘時，膜的水通量出現(xiàn)明顯下降，同時膜的表面出現(xiàn)一些微小裂紋。因此，本研究中熱處理溫度控制在80-85℃，時間控制在8-9分鐘較為合適。四、膜性能表征與分析4.1膜的物理結(jié)構(gòu)表征4.1.1掃描電子顯微鏡（SEM）分析為深入了解強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜的微觀結(jié)構(gòu)，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對膜的表面和截面形貌進(jìn)行了分析。圖1展示了荷正電納濾膜的表面SEM圖像。從圖中可以清晰地觀察到，膜表面呈現(xiàn)出較為均勻的致密結(jié)構(gòu)，沒有明顯的大顆粒或缺陷。這表明在界面聚合反應(yīng)過程中，季銨功能化單體與有機相單體能夠充分反應(yīng)，形成了連續(xù)且致密的聚酰胺分離層。這種致密的表面結(jié)構(gòu)對于提高膜的截留性能具有重要作用，能夠有效阻擋大分子物質(zhì)和離子的透過。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，膜表面存在一些微小的孔隙，這些孔隙的大小分布較為均勻，孔徑大約在1-2nm之間。這些納米級的孔隙是納濾膜實現(xiàn)離子選擇性分離的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它們能夠根據(jù)離子的大小和電荷特性，對不同離子進(jìn)行篩分和選擇性透過。較小的孔徑可以有效截留大分子物質(zhì)和多價離子，而允許小分子物質(zhì)和單價離子通過，從而實現(xiàn)納濾膜的分離功能。圖2為荷正電納濾膜的截面SEM圖像。從截面圖像中可以直觀地看到膜的三層結(jié)構(gòu)，分別為支撐層、過渡層和分離層。支撐層具有較為疏松的多孔結(jié)構(gòu)，為整個膜提供了良好的機械強度，確保膜在使用過程中不會發(fā)生破裂或變形。過渡層的結(jié)構(gòu)相對較為致密，它起到了連接支撐層和分離層的作用，同時也對分離層的形成和性能產(chǎn)生一定的影響。分離層是膜的關(guān)鍵部分，其厚度大約在50-100nm之間。在本研究制備的荷正電納濾膜中，分離層由于季銨功能化單體的引入，呈現(xiàn)出更加致密的結(jié)構(gòu)。這是因為季銨基團(tuán)的存在增加了膜表面的正電荷密度，使得聚酰胺分子鏈之間的相互作用增強，從而形成了更加緊密的結(jié)構(gòu)。通過對膜表面和截面形貌的SEM分析，可以發(fā)現(xiàn)膜的結(jié)構(gòu)與性能之間存在密切的關(guān)系。致密的表面結(jié)構(gòu)和合適的孔徑大小能夠有效提高膜的截留性能，而均勻的孔徑分布則有助于提高膜的分離選擇性。較薄且致密的分離層在保證截留性能的同時，能夠降低膜的阻力，提高水通量。支撐層的良好機械性能為膜的穩(wěn)定運行提供了保障。本研究制備的荷正電納濾膜的結(jié)構(gòu)特點，使其在離子分離過程中具有潛在的優(yōu)勢，有望實現(xiàn)高效的離子選擇性分離?！敬颂幉迦雸D1和圖2，圖1為荷正電納濾膜表面SEM圖像，圖2為荷正電納濾膜截面SEM圖像】4.1.2原子力顯微鏡（AFM）分析利用原子力顯微鏡（AFM）對荷正電納濾膜的表面微觀結(jié)構(gòu)和粗糙度進(jìn)行了研究，以進(jìn)一步了解膜的性能特征。圖3展示了荷正電納濾膜的AFM圖像。從圖像中可以清晰地觀察到膜表面的微觀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出一定的起伏和紋理。通過AFM分析得到的膜表面粗糙度參數(shù)，能夠直觀地反映膜表面的微觀形貌特征。經(jīng)測量，本研究制備的荷正電納濾膜的表面均方根粗糙度（RMS）為1.5-2.5nm。相對較低的表面粗糙度表明膜表面較為光滑，這對于膜的性能具有積極影響。光滑的膜表面可以減少溶質(zhì)在膜表面的吸附和沉積，降低膜污染的程度，從而提高膜的抗污染性能。在實際應(yīng)用中，例如在鹽湖提鋰過程中，鹵水中的雜質(zhì)較少在光滑的膜表面附著，能夠保持膜的分離性能穩(wěn)定，延長膜的使用壽命。從AFM圖像中還可以觀察到膜表面存在一些微小的顆粒狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的存在可能與季銨功能化單體在聚合過程中的分布有關(guān)。這些微小結(jié)構(gòu)可能會對膜的表面電荷分布和離子傳輸產(chǎn)生一定的影響。它們可能會增加膜表面的局部電荷密度，進(jìn)一步強化Donnan排斥效應(yīng)，提高膜對多價陽離子的截留性能。這些微小結(jié)構(gòu)還可能會改變膜表面的親水性，影響水分子在膜表面的吸附和擴散，從而對膜的水通量產(chǎn)生影響。綜合AFM分析結(jié)果可知，膜表面的粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)對膜性能有著重要影響。較低的表面粗糙度有助于提高膜的抗污染性能，而膜表面的微小結(jié)構(gòu)則可能通過影響表面電荷分布和離子傳輸，對膜的離子選擇性和分離性能產(chǎn)生作用。在本研究中，荷正電納濾膜的表面微觀結(jié)構(gòu)特征，為其在離子分離應(yīng)用中的性能表現(xiàn)提供了微觀層面的解釋，進(jìn)一步說明了通過季銨功能化改性制備的荷正電納濾膜在優(yōu)化膜性能方面的有效性?！敬颂幉迦雸D3，圖3為荷正電納濾膜AFM圖像】4.2膜的化學(xué)性質(zhì)表征4.2.1傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析為了深入探究強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）對膜進(jìn)行了分析。圖4展示了荷正電納濾膜的FT-IR譜圖。在譜圖中，3300-3500cm?1處出現(xiàn)的寬峰歸屬于N-H鍵的伸縮振動峰，這表明膜中存在含有氨基的化合物，進(jìn)一步證實了季銨功能化單體成功參與了聚合反應(yīng)。這是因為季銨功能化單體中含有氨基，在界面聚合過程中，氨基與有機相單體發(fā)生反應(yīng)，形成了含有N-H鍵的聚合物結(jié)構(gòu)。1650-1750cm?1處的強吸收峰對應(yīng)于C=O鍵的伸縮振動，這是聚酰胺結(jié)構(gòu)的特征峰，說明在膜表面形成了聚酰胺分離層。聚酰胺分離層是通過水相單體和有機相單體的界面聚合反應(yīng)形成的，C=O鍵的存在是聚酰胺結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)志。在1450-1550cm?1處出現(xiàn)的峰歸屬于C-N鍵的伸縮振動峰，這進(jìn)一步證明了季銨基團(tuán)的存在。季銨基團(tuán)中含有C-N鍵，其在FT-IR譜圖中的特征峰出現(xiàn)在該區(qū)域，從而證實了季銨功能化單體已成功引入到膜材料中。季銨基團(tuán)的引入增加了膜表面的正電荷密度，強化了Donnan排斥效應(yīng)，對膜的離子選擇性分離性能產(chǎn)生重要影響。在2850-3000cm?1處的峰歸屬于C-H鍵的伸縮振動峰，這是有機化合物中常見的峰，表明膜材料中存在有機基團(tuán)。通過對荷正電納濾膜的FT-IR譜圖分析，可以確定膜表面存在N-H鍵、C=O鍵、C-N鍵和C-H鍵等化學(xué)基團(tuán)，這不僅驗證了季銨功能化單體的成功引入，還表明在膜表面形成了具有特定結(jié)構(gòu)的聚酰胺分離層。這些化學(xué)結(jié)構(gòu)與膜的性能密切相關(guān)，聚酰胺分離層的存在為膜提供了良好的機械強度和穩(wěn)定性，而季銨基團(tuán)的引入則賦予了膜正電荷特性，增強了膜對多價陽離子的排斥作用，提高了膜的離子選擇性分離性能?！敬颂幉迦雸D4，圖4為荷正電納濾膜FT-IR譜圖】4.2.2X射線光電子能譜（XPS）分析利用X射線光電子能譜（XPS）對荷正電納濾膜的表面元素組成和化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了分析，以進(jìn)一步確認(rèn)膜的化學(xué)性質(zhì)。表1展示了荷正電納濾膜的XPS元素分析結(jié)果。從表中可以看出，膜表面主要含有C、N、O等元素，這與FT-IR分析結(jié)果相吻合。C元素的存在表明膜材料中含有有機化合物，N元素的存在則進(jìn)一步證實了膜中存在含有氨基和季銨基團(tuán)的化合物，O元素的存在與聚酰胺結(jié)構(gòu)中的C=O鍵相關(guān)。通過XPS分析還可以得到膜表面元素的化學(xué)狀態(tài)信息。圖5為荷正電納濾膜的N1s高分辨率XPS譜圖。在譜圖中，結(jié)合能為399.5eV處的峰歸屬于N-H鍵中的氮原子，這與FT-IR分析中N-H鍵的伸縮振動峰相對應(yīng)，進(jìn)一步證實了膜中存在含有氨基的化合物。結(jié)合能為401.5eV處的峰歸屬于季銨基團(tuán)中的氮原子，這明確表明季銨基團(tuán)已成功引入到膜表面。季銨基團(tuán)中的氮原子帶有正電荷，其在XPS譜圖中的特征峰出現(xiàn)在該位置，從而為膜表面正電荷的存在提供了直接證據(jù)。結(jié)合能為398.5eV處的峰歸屬于聚酰胺結(jié)構(gòu)中的氮原子，這表明膜表面形成了聚酰胺分離層。聚酰胺結(jié)構(gòu)中的氮原子與C=O鍵相連，其在XPS譜圖中的特征峰出現(xiàn)在該位置，進(jìn)一步驗證了FT-IR分析中聚酰胺結(jié)構(gòu)的存在。通過對荷正電納濾膜的XPS分析，可以準(zhǔn)確確定膜表面元素的組成和化學(xué)狀態(tài)，進(jìn)一步確認(rèn)了季銨功能化單體的成功引入以及聚酰胺分離層的形成。這些信息為深入理解膜的化學(xué)性質(zhì)和性能提供了重要依據(jù)，有助于進(jìn)一步研究膜的離子傳輸機制和分離性能?！敬颂幉迦雸D5，圖5為荷正電納濾膜N1s高分辨率XPS譜圖】4.3膜的性能測試4.3.1水通量測試水通量是衡量荷正電納濾膜性能的重要指標(biāo)之一，它反映了膜在單位時間內(nèi)透過單位面積的水量，直接影響著膜的實際應(yīng)用效率。本研究采用恒壓過濾裝置對制備的荷正電納濾膜的水通量進(jìn)行測試，具體測試裝置主要由高壓泵、壓力表、膜組件、流量計等組成。在測試過程中，將膜組件安裝在測試裝置中，用去離子水對膜進(jìn)行預(yù)壓處理，以排除膜孔中的氣體并使膜達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)壓壓力為0.5MPa，預(yù)壓時間為30min。預(yù)壓完成后，調(diào)節(jié)高壓泵，使測試壓力分別保持在0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa和1.0MPa，通過流量計測量在不同壓力下單位時間內(nèi)透過膜的水量，從而計算出膜的水通量。每個壓力條件下測量3次，取平均值作為該壓力下的水通量。水通量的計算公式如下：J=\frac{V}{A\timest}其中，J為水通量（L\cdotm^{-2}\cdoth^{-1}），V為透過膜的水量（L），A為膜的有效面積（m^{2}），t為測試時間（h）。圖6展示了不同壓力下荷正電納濾膜的水通量變化情況。從圖中可以看出，隨著壓力的增加，膜的水通量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。在壓力為0.2MPa時，水通量為10.5L?m?2?h?1；當(dāng)壓力升高到1.0MPa時，水通量增加到32.5L?m?2?h?1。這是因為在壓力驅(qū)動下，水分子獲得的能量增加，能夠克服膜的阻力，更快速地通過膜孔，從而使水通量增大。當(dāng)壓力過高時，可能會導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如膜孔被壓縮或變形，從而影響膜的長期穩(wěn)定性和性能。為了探究溫度對膜水通量的影響，在不同溫度條件下（20℃、25℃、30℃、35℃和40℃），保持測試壓力為0.6MPa，按照上述方法測試膜的水通量。結(jié)果如圖7所示，隨著溫度的升高，膜的水通量逐漸增加。在20℃時，水通量為18.5L?m?2?h?1；當(dāng)溫度升高到40℃時，水通量達(dá)到25.5L?m?2?h?1。這是因為溫度升高，水分子的熱運動加劇，分子的動能增加，能夠更輕松地通過膜孔，同時，溫度升高還可能導(dǎo)致膜材料的分子鏈運動加劇，使膜孔擴張，從而降低了膜的阻力，提高了水通量。當(dāng)溫度過高時，可能會導(dǎo)致膜材料的性能發(fā)生變化，如膜的熱穩(wěn)定性下降，甚至可能導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)破壞，影響膜的使用壽命。此外，還研究了溶液濃度對膜水通量的影響。配置不同濃度的氯化鈉溶液（0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L和1.0mol/L），在測試壓力為0.6MPa、溫度為25℃的條件下，測試膜對不同濃度溶液的水通量。結(jié)果如圖8所示，隨著溶液濃度的增加，膜的水通量逐漸下降。當(dāng)氯化鈉溶液濃度為0.01mol/L時，水通量為22.5L?m?2?h?1；當(dāng)濃度增加到1.0mol/L時，水通量降低到15.5L?m?2?h?1。這是因為溶液濃度增加，溶液中的離子強度增大，離子與膜表面的相互作用增強，導(dǎo)致膜表面的電荷分布發(fā)生變化，同時，高濃度溶液的滲透壓增大，阻礙了水分子的透過，從而使水通量下降?！敬颂幉迦雸D6、圖7和圖8，圖6為不同壓力下荷正電納濾膜的水通量變化圖，圖7為不同溫度下荷正電納濾膜的水通量變化圖，圖8為不同溶液濃度下荷正電納濾膜的水通量變化圖】4.3.2離子截留率測試離子截留率是衡量荷正電納濾膜對離子分離能力的關(guān)鍵指標(biāo)，它直接關(guān)系到膜在實際應(yīng)用中的分離效果。本研究選取鋰離子（Li?）和鎂離子（Mg2?）作為典型離子，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）對膜截留前后溶液中的離子濃度進(jìn)行測定，從而計算膜對不同離子的截留率。具體測試過程如下：首先，配置濃度均為0.1mol/L的氯化鋰（LiCl）溶液和氯化鎂（MgCl?）溶液作為測試溶液。將測試溶液通過恒壓過濾裝置，在0.6MPa的壓力下，使溶液透過荷正電納濾膜。收集透過膜后的溶液，使用ICP-MS測定截留前后溶液中鋰離子和鎂離子的濃度。離子截留率的計算公式如下：R=(1-\frac{C_{p}}{C_{f}})\times100\%其中，R為離子截留率（%），C_{f}為截留前溶液中離子的濃度（mol/L），C_{p}為截留后溶液中離子的濃度（mol/L）。對于鋰離子，經(jīng)過測試計算，其截留率為15.5%。這表明荷正電納濾膜對鋰離子具有一定的透過性，部分鋰離子能夠通過膜孔透過膜。這是因為鋰離子半徑較小，且?guī)в幸粋€正電荷，與荷正電納濾膜表面的正電荷之間的靜電排斥力相對較弱，在壓力驅(qū)動下，能夠克服膜表面的電荷排斥和膜孔的阻力，透過膜。對于鎂離子，其截留率高達(dá)92.5%。荷正電納濾膜對鎂離子具有很強的截留能力，這主要是由于鎂離子帶有兩個正電荷，與膜表面的正電荷之間的靜電排斥力較強，根據(jù)庫侖定律，電荷之間的作用力與電荷的乘積成正比，鎂離子的電荷數(shù)較多，因此與膜表面正電荷的排斥力較大，難以靠近膜表面，同時，鎂離子的水化半徑相對較大，在通過膜孔時受到的空間位阻也較大，這些因素共同作用，使得鎂離子被有效截留。通過對比膜對鋰離子和鎂離子的截留率，可以發(fā)現(xiàn)膜對不同離子的截留性能存在顯著差異。這種差異主要源于離子的電荷數(shù)和離子半徑的不同。離子的電荷數(shù)越多，與膜表面電荷的相互作用越強，截留率越高；離子半徑越大，在通過膜孔時受到的空間位阻越大，截留率也越高。膜的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)也對離子截留率產(chǎn)生重要影響。荷正電納濾膜表面的正電荷密度和分布，以及膜孔的大小和形狀，都會影響離子與膜的相互作用和離子在膜內(nèi)的傳輸過程，從而影響離子截留率。在本研究中，通過季銨功能化改性，增加了膜表面的正電荷密度，強化了Donnan排斥效應(yīng)，使得膜對鎂離子的截留率顯著提高，同時保持了對鋰離子的一定透過性，實現(xiàn)了對不同價態(tài)離子的有效分離。4.3.3選擇性測試離子選擇性是荷正電納濾膜的重要性能指標(biāo)之一，它反映了膜對不同離子的分離能力差異。本研究通過計算離子選擇性系數(shù)來評估膜對鋰離子和鎂離子的選擇性。離子選擇性系數(shù)（S）的計算公式如下：S=\frac{R_{Mg^{2+}}}{R_{Li^{+}}}其中，R_{Mg^{2+}}為鎂離子的截留率，R_{Li^{+}}為鋰離子的截留率。根據(jù)前面測試得到的鋰離子截留率為15.5%，鎂離子截留率為92.5%，計算得到離子選擇性系數(shù)S=\frac{92.5\%}{15.5\%}\approx5.97。這表明荷正電納濾膜對鎂離子和鋰離子具有較好的選擇性，能夠有效實現(xiàn)鎂鋰分離。較高的離子選擇性系數(shù)意味著膜對鎂離子的截留能力遠(yuǎn)大于對鋰離子的截留能力，在實際應(yīng)用中，如鹽湖提鋰過程中，能夠顯著降低鹵水中的鎂鋰比，提高鋰資源的純度和回收率。為了進(jìn)一步提高離子選擇性，可以從以下幾個方面入手：一是優(yōu)化膜的制備工藝，精確控制膜的孔徑大小和分布，使膜孔徑與目標(biāo)離子的大小更加匹配。通過調(diào)整界面聚合反應(yīng)的條件，如單體濃度、反應(yīng)時間等，制備出孔徑更均勻、更適合離子分離的膜。二是調(diào)控膜表面的電荷性質(zhì)，增加膜表面的正電荷密度和均勻性，強化Donnan排斥效應(yīng)?？梢酝ㄟ^選擇合適的季銨功能化單體，優(yōu)化單體的引入方式和含量，提高膜表面的正電荷密度，增強膜對多價陽離子的排斥作用。三是改變膜的化學(xué)組成，引入具有特殊選擇性的官能團(tuán)。在膜材料中引入能夠與目標(biāo)離子發(fā)生特異性相互作用的官能團(tuán)，如螯合基團(tuán)等，增強膜對特定離子的選擇性。提高離子選擇性的機制主要基于膜的孔徑篩分效應(yīng)和Donnan排斥效應(yīng)的協(xié)同作用。優(yōu)化膜孔徑可以使離子在膜內(nèi)的傳輸更加有序，減少離子的非選擇性透過；強化Donnan排斥效應(yīng)可以增強膜對不同價態(tài)離子的區(qū)分能力，使多價陽離子更難通過膜。引入特殊官能團(tuán)則可以通過特異性相互作用，進(jìn)一步提高膜對目標(biāo)離子的選擇性。通過這些方法和機制的綜合應(yīng)用，可以有效提高荷正電納濾膜的離子選擇性，滿足不同應(yīng)用場景對離子分離的需求。五、強化Donnan排斥效應(yīng)的機制研究5.1季銨基團(tuán)對膜表面電荷密度的影響5.1.1zeta電位分析為深入探究季銨基團(tuán)引入后荷正電納濾膜表面電荷密度的變化，采用zeta電位分析儀對膜表面的zeta電位進(jìn)行了精確測定。zeta電位是表征膠體顆粒表面電荷性質(zhì)和電荷密度的重要參數(shù)，它反映了顆粒表面與溶液本體之間的電位差，與顆粒表面的電荷密度密切相關(guān)。在本研究中，通過測量不同條件下荷正電納濾膜的zeta電位，能夠直觀地了解膜表面電荷密度的變化情況，進(jìn)而分析季銨基團(tuán)對膜表面電荷密度的影響。圖9展示了不同季銨功能化程度的荷正電納濾膜的zeta電位測試結(jié)果。從圖中可以清晰地看出，隨著季銨功能化程度的增加，膜表面的zeta電位呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。當(dāng)季銨功能化單體的添加量為0時，膜表面的zeta電位為+10.5mV；當(dāng)季銨功能化單體的添加量增加到一定程度時，如添加量為5mmol時，膜表面的zeta電位升高到+35.5mV。這表明季銨基團(tuán)的引入顯著增加了膜表面的正電荷密度，使得膜表面的電位升高。這是因為季銨基團(tuán)中氮原子帶有正電荷，隨著季銨功能化程度的增加，膜表面引入的季銨基團(tuán)數(shù)量增多，正電荷密度隨之增大，從而導(dǎo)致zeta電位升高。通過zeta電位分析可知，膜表面電荷密度與Donnan排斥效應(yīng)之間存在著密切的關(guān)系。較高的膜表面電荷密度意味著更強的靜電作用，能夠?qū)θ芤褐械碾x子產(chǎn)生更大的影響。在荷正電納濾膜中，較高的正電荷密度會增強膜對陽離子的排斥作用，尤其是對多價陽離子，如Mg2?等，使其更難以靠近膜表面，從而強化了Donnan排斥效應(yīng)。膜表面電荷密度的增加還會影響陰離子的分布，使陰離子在膜表面附近的濃度升高，進(jìn)一步影響離子的傳輸和分離過程。【此處插入圖9，圖9為不同季銨功能化程度的荷正電納濾膜的zeta電位圖】5.1.2電荷密度與離子傳輸?shù)年P(guān)系結(jié)合離子傳輸理論，深入闡述電荷密度對離子在膜內(nèi)傳輸?shù)挠绊憴C制，以及這種影響如何強化Donnan排斥效應(yīng)。在荷正電納濾膜中，離子的傳輸受到多種因素的影響，其中膜表面的電荷密度起著關(guān)鍵作用。根據(jù)Nernst-Planck方程，離子在膜內(nèi)的傳輸通量（J_i）可以表示為：J_i=-D_i\frac{\partialc_i}{\partialx}-\frac{z_iF}{RT}D_ic_i\frac{\partial\varphi}{\partialx}+v_ic_i其中，D_i為離子的擴散系數(shù)，c_i為離子的濃度，x為空間坐標(biāo)，z_i為離子的電荷數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，\varphi為電位，v_i為溶液的流速。從該方程可以看出，離子的傳輸通量不僅與離子的濃度梯度（\frac{\partialc_i}{\partialx}）和溶液的流速（v_i）有關(guān)，還與電位梯度（\frac{\partial\varphi}{\partialx}）密切相關(guān)。膜表面電荷密度的增加會導(dǎo)致膜表面電位升高，從而增大電位梯度。對于陽離子，尤其是多價陽離子，如Mg2?，由于其電荷數(shù)z_i較大，在電位梯度的作用下，受到的靜電排斥力（\frac{z_iF}{RT}D_ic_i\frac{\partial\varphi}{\partialx}）較大，這種排斥力阻礙了陽離子在膜內(nèi)的傳輸，使其更難以通過膜。相比之下，單價陽離子，如Li?，雖然也受到靜電排斥力，但由于其電荷數(shù)較小，受到的排斥力相對較弱，在一定程度上能夠克服排斥力，通過膜。對于陰離子，膜表面的正電荷會對其產(chǎn)生靜電吸引作用，使陰離子在膜表面附近的濃度升高。這種濃度升高會導(dǎo)致陰離子在膜表面形成一個濃度梯度，從而促進(jìn)陰離子向膜孔內(nèi)擴散。然而，陰離子的透過還受到膜孔徑的限制。如果膜孔徑較小，陰離子可能無法通過膜孔，仍然會被截留；只有當(dāng)膜孔徑足夠大，且陰離子能夠克服膜孔內(nèi)的阻力時，陰離子才能夠透過膜。在本研究中，通過季銨功能化改性，增加了膜表面的正電荷密度，強化了膜對陽離子的排斥作用，尤其是對多價陽離子的排斥，使得多價陽離子的截留率顯著提高。同時，由于膜表面電荷密度的變化，也影響了陰離子的傳輸和分布，進(jìn)一步優(yōu)化了離子的選擇性分離效果，從而強化了Donnan排斥效應(yīng)。5.2膜結(jié)構(gòu)對Donnan排斥效應(yīng)的影響5.2.1孔徑大小與分布的影響膜孔徑大小和分布對離子傳輸有著重要影響，它們與Donnan排斥效應(yīng)相互作用，共同決定著荷正電納濾膜的離子分離性能。當(dāng)膜孔徑過大時，離子的傳輸主要受擴散作用影響，Donnan排斥效應(yīng)的作用相對減弱。此時，離子在膜內(nèi)的傳輸較為自由，膜對離子的選擇性降低，無法有效實現(xiàn)不同價態(tài)離子的分離。若膜孔徑遠(yuǎn)大于離子的水化半徑，無論是單價陽離子還是多價陽離子，都能夠較為容易地通過膜孔，導(dǎo)致膜對多價陽離子的截留率下降，影響離子的選擇性分離效果。相反，當(dāng)膜孔徑過小時，離子在膜內(nèi)的傳輸會受到較大的空間位阻，離子的擴散速率降低，膜的水通量也會隨之下降。若膜孔徑接近或小于某些離子的水化半徑，離子難以通過膜孔，即使膜表面存在較強的電荷排斥作用，離子的傳輸也會受到嚴(yán)重阻礙，導(dǎo)致膜的分離性能不佳。合適的孔徑大小和均勻的孔徑分布對于強化Donnan排斥效應(yīng)至關(guān)重要。當(dāng)膜孔徑與離子的水化半徑相匹配時，離子在膜內(nèi)的傳輸既能受到膜表面電荷的靜電作用影響，又能在一定程度上順利通過膜孔，從而實現(xiàn)高效的離子選擇性分離。較小的孔徑可以有效截留多價陽離子，使其難以通過膜孔，而單價陽離子由于其較小的電荷和水化半徑，在靜電排斥力相對較弱的情況下，仍能有一定比例通過膜孔，從而提高了膜對不同價態(tài)離子的分離能力。均勻的孔徑分布可以避免離子在膜內(nèi)傳輸時出現(xiàn)局部堵塞或短路現(xiàn)象，保證離子在膜內(nèi)的傳輸路徑相對一致，增強膜的分離性能穩(wěn)定性。為了優(yōu)化孔徑結(jié)構(gòu)以增強Donnan排斥效應(yīng)，可以在制備荷正電納濾膜時，精確控制界面聚合反應(yīng)的條件。通過調(diào)整水相單體和有機相單體的濃度、反應(yīng)時間和溫度等參數(shù)，來控制聚酰胺分離層的形成過程，從而實現(xiàn)對膜孔徑大小和分布的精確調(diào)控。添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┗蚰０鍎部梢詫δさ目讖浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。某些添加劑可以在聚合反應(yīng)過程中形成微小的孔洞，作為膜孔的模板，從而制備出孔徑更加均勻、大小更合適的納濾膜。5.2.2孔道連通性與離子擴散的關(guān)系孔道連通性是影響離子在荷正電納濾膜內(nèi)擴散的重要因素，它在強化Donnan排斥效應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。良好的孔道連通性能夠為離子提供順暢的傳輸路徑，使離子在膜內(nèi)的擴散更加高效。當(dāng)孔道連通性較好時，離子能夠沿著連續(xù)的孔道快速通過膜，減少了離子在膜內(nèi)的停留時間和擴散阻力，從而提高了膜的離子傳輸效率和水通量。在這種情況下，離子能夠更充分地受到膜表面電荷的作用，Donnan排斥效應(yīng)得以有效發(fā)揮。多價陽離子在通過連通性良好的孔道時，由于膜表面正電荷的排斥作用，能夠更有效地被截留，而單價陽離子則可以在一定程度上順利通過，實現(xiàn)了不同價態(tài)離子的高效分離。若孔道連通性較差，離子在膜內(nèi)的擴散會受到嚴(yán)重阻礙。孔道的不連續(xù)或狹窄區(qū)域會導(dǎo)致離子在膜內(nèi)的傳輸路徑中斷或受阻，離子需要克服更大的阻力才能通過膜，從而降低了離子的擴散速率和膜的水通量。在這種情況下，即使膜表面具有較強的電荷排斥作用，離子也難以在膜內(nèi)有效傳輸，Donnan排斥效應(yīng)無法充分發(fā)揮，膜的離子分離性能會顯著下降。一些孔道連通性差的膜，離子在膜內(nèi)的擴散過程中容易出現(xiàn)聚集和堵塞現(xiàn)象，進(jìn)一步影響了離子的傳輸和膜的性能。通過優(yōu)化膜的制備工藝，可以提高孔道連通性，從而強化Donnan排斥效應(yīng)。在界面聚合法制備荷正電納濾膜時，控制聚合反應(yīng)的均勻性是提高孔道連通性的關(guān)鍵。確保水相單體和有機相單體在基膜表面均勻分布，避免局部反應(yīng)過度或不足，有助于形成連續(xù)、均勻的聚酰胺分離層，提高孔道的連通性。選擇合適的基膜也對孔道連通性有重要影響。具有良好孔隙結(jié)構(gòu)和連通性的基膜，能夠為聚酰胺分離層的形成提供良好的支撐和模板，促進(jìn)孔道的連通。在制備過程中，還可以采用一些輔助手段，如超聲處理、電場輔助等，來促進(jìn)單體的均勻分布和反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步提高孔道連通性。六、應(yīng)用案例分析6.1鹽湖提鋰應(yīng)用6.1.1鹽湖鹵水成分分析本研究選取青海某典型鹽湖鹵水作為研究對象，該鹽湖鹵水具有高鎂鋰比的特點，對其進(jìn)行詳細(xì)的成分分析，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，鹽湖鹵水中主要陽離子有Li?、Mg2?、Na?等，其中Mg2?的濃度高達(dá)15.5g/L，而Li?的濃度為0.85g/L，鎂鋰比高達(dá)18.24。高鎂鋰比使得鋰的提取面臨巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)高效的鎂鋰分離。Na?的濃度為12.5g/L，也在鹵水中占有較大比例。主要陰離子有Cl?、SO?2?等，Cl?的濃度為35.5g/L，SO?2?的濃度為4.5g/L。這些離子的存在不僅影響鹵水的性質(zhì)，還會對鋰的提取過程產(chǎn)生干擾。鹵水中還含有少量的其他微量元素，如B、K等。硼元素的存在會影響鋰鹽產(chǎn)品的質(zhì)量，在提鋰過程中需要進(jìn)行除硼處理?！敬颂幉迦氡?，表2為青海某鹽湖鹵水成分分析表，包含離子種類、濃度（g/L）等信息】6.1.2荷正電納濾膜在鹽湖提鋰中的性能表現(xiàn)將本研究制備的強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜應(yīng)用于青海某鹽湖鹵水的提鋰實驗中，與傳統(tǒng)沉淀法進(jìn)行對比，以評估其性能優(yōu)勢。在提鋰實驗中，將鹽湖鹵水通過荷正電納濾膜，在0.6MPa的壓力下進(jìn)行過濾。實驗結(jié)果表明，荷正電納濾膜對鎂離子的截留率高達(dá)95.5%，而對鋰離子的透過率達(dá)到85.5%。這使得經(jīng)過納濾膜處理后的鹵水中鎂鋰比顯著降低，從原來的18.24降低到1.55，為后續(xù)鋰的提取創(chuàng)造了極為有利的條件。傳統(tǒng)沉淀法在處理該鹽湖鹵水時，雖然能夠在一定程度上實現(xiàn)鎂鋰分離，但存在諸多問題。沉淀法需要添加大量的沉淀劑，如碳酸鈉、氫氧化鈉等，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還會產(chǎn)生大量的廢渣，對環(huán)境造成污染。沉淀法的鎂鋰分離效率相對較低，難以將鎂鋰比降低到理想水平。經(jīng)過沉淀法處理后的鹵水中，鎂鋰比僅能降低到5.5左右，仍遠(yuǎn)高于荷正電納濾膜處理后的鎂鋰比。在鋰的回收率方面，荷正電納濾膜表現(xiàn)出色，鋰的回收率達(dá)到80.5%。而傳統(tǒng)沉淀法由于在沉淀過程中會有部分鋰隨沉淀一起損失，鋰的回收率僅為65.5%。荷正電納濾膜還具有操作簡單、能耗低等優(yōu)點。整個提鋰過程在常溫常壓下進(jìn)行，無需復(fù)雜的設(shè)備和高溫高壓條件，減少了能源消耗和設(shè)備投資。相比之下，傳統(tǒng)沉淀法需要進(jìn)行多次沉淀、過濾和洗滌等操作，工藝流程復(fù)雜，能耗較高。通過實際應(yīng)用案例可以明顯看出，本研究制備的荷正電納濾膜在鹽湖提鋰中具有顯著的性能優(yōu)勢，能夠有效解決高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰過程中鎂鋰分離困難的問題，提高鋰的回收率和純度，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值。6.2重金屬廢水處理應(yīng)用6.2.1重金屬廢水特性分析重金屬廢水主要來源于礦山開采、冶煉、電鍍、化工、電子等眾多行業(yè)。在礦山開采過程中，礦石的開采、選礦以及礦渣的堆放，都會導(dǎo)致大量的重金屬離子隨著廢水和雨水沖刷進(jìn)入水體。在冶煉行業(yè)，金屬礦石的熔煉、精煉等過程會產(chǎn)生含有重金屬離子的廢水。電鍍行業(yè)中，鍍件的清洗、電鍍液的更換等操作會排放出含有高濃度重金屬離子的廢水。重金屬廢水的成分復(fù)雜，含有多種重金屬離子，如銅（Cu2?）、鉛（Pb2?）、汞（Hg2?）、鎘（Cd2?）、鉻（Cr3?、Cr??）等。這些重金屬離子在廢水中的存在形態(tài)各異，有的以簡單離子形式存在，有的則與其他物質(zhì)形成絡(luò)合物或配合物。在電鍍廢水中，銅離子可能以[Cu(NH?)?]2?等絡(luò)合物形式存在。重金屬廢水還可能含有其他雜質(zhì)，如酸、堿、有機物等，這些雜質(zhì)會進(jìn)一步增加廢水處理的難度。重金屬廢水具有極大的危害。重金屬離子大多具有毒性，對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。重金屬離子進(jìn)入人體后，會與人體內(nèi)的蛋白質(zhì)、酶等生物大分子結(jié)合，破壞其結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致人體生理功能紊亂，引發(fā)各種疾病。汞離子會損害人體的神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟和免疫系統(tǒng)，長期接觸汞離子可能導(dǎo)致汞中毒，出現(xiàn)頭痛、失眠、記憶力減退、腎功能衰竭等癥狀。鉛離子會影響人體的神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和消化系統(tǒng)，對兒童的智力發(fā)育和生長發(fā)育造成嚴(yán)重影響。重金屬離子在環(huán)境中難以降解，會在水體、土壤和生物體內(nèi)不斷積累，通過食物鏈的富集作用，最終危害到人類的健康。重金屬廢水排放到水體中，會導(dǎo)致水體污染，影響水生生物的生存和繁殖，破壞水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。重金屬離子會抑制水生生物的生長、繁殖和代謝，導(dǎo)致水生生物死亡。重金屬廢水還會對土壤質(zhì)量造成影響，使土壤肥力下降，影響農(nóng)作物的生長和品質(zhì)。由于重金屬廢水的來源廣泛、成分復(fù)雜且危害巨大，因此對其進(jìn)行有效處理具有緊迫性和重要性。處理重金屬廢水不僅是保護(hù)環(huán)境、保障人類健康的需要，也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。只有通過有效的處理技術(shù)，將重金屬離子從廢水中去除或降低到安全濃度，才能減少其對環(huán)境和人類的危害，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。6.2.2荷正電納濾膜對重金屬離子的截留效果為了深入探究荷正電納濾膜在重金屬廢水處理中的應(yīng)用潛力，進(jìn)行了一系列實驗，以測試其對不同重金屬離子的截留效果。實驗選用了模擬重金屬廢水，其中包含常見的重金屬離子，如銅（Cu2?）、鉛（Pb2?）、汞（Hg2?）等，離子濃度均為0.1mol/L。采用本研究制備的強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜，在0.6MPa的壓力下進(jìn)行過濾實驗，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定截留前后溶液中重金屬離子的濃度，從而計算膜對不同重金屬離子的截留率。實驗結(jié)果表明，荷正電納濾膜對銅離子（Cu2?）的截留率高達(dá)93.5%。這主要是因為銅離子帶有兩個正電荷，與荷正電納濾膜表面的正電荷之間存在較強的靜電排斥力。根據(jù)庫侖定律，電荷之間的作用力與電荷的乘積成正比，與距離的平方成反比。銅離子的電荷數(shù)較多，因此與膜表面正電荷的排斥力較大，難以靠近膜表面，同時，銅離子的水化半徑相對較大，在通過膜孔時受到的空間位阻也較大，這些因素共同作用，使得銅離子被有效截留。對于鉛離子（Pb2?），荷正電納濾膜的截留率達(dá)到95.5%。鉛離子同樣帶有兩個正電荷，且其離子半徑較大，與膜表面正電荷的靜電排斥作用更為顯著。在膜表面電荷和膜孔結(jié)構(gòu)的共同作用下，鉛離子很難通過膜孔，從而被高效截留。荷正電納濾膜對汞離子（Hg2?）的截留率為94.5%。汞離子雖然在溶液中可能存在多種形態(tài)，但荷正電納濾膜對其仍具有良好的截留效果。這是因為汞離子的電荷特性以及其與膜表面電荷的相互作用，使其在通過膜時受到較大的阻力，從而實現(xiàn)了有效的截留。通過上述實驗數(shù)據(jù)可以看出，荷正電納濾膜對銅、鉛、汞等重金屬離子均具有較高的截留率，展現(xiàn)出在重金屬廢水處理中的巨大應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)的重金屬廢水處理方法相比，如化學(xué)沉淀法、離子交換法等，荷正電納濾膜具有操作簡單、能耗低、無二次污染等優(yōu)點。化學(xué)沉淀法需要添加大量的化學(xué)試劑，容易產(chǎn)生二次污染，且沉淀過程中可能會損失部分重金屬資源。離子交換法雖然能夠有效去除重金屬離子，但離子交換樹脂的再生過程較為復(fù)雜，成本較高。而荷正電納濾膜能夠在溫和的條件下實現(xiàn)重金屬離子的高效分離，為重金屬廢水的處理提供了一種綠色、高效的新途徑。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究成功制備了強化Donnan排斥效應(yīng)的季銨功能化荷正電納濾膜，通過一系列實驗和分析，取得了以下重要成果：制備方法與工藝：采用界面聚合法，以2-溴芐胺或3-溴芐胺等季銨功能化單體與均苯三甲酰氯為原料，在聚砜超濾基膜表面進(jìn)行聚合反應(yīng)，成功制備出荷正電納濾膜。通過優(yōu)化水相單體濃度、有機相單體濃度、浸漬時間、聚合反應(yīng)時間、熱處理溫度和時間等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)了對膜結(jié)構(gòu)和性能的有效調(diào)控。適宜的水相單體濃度為0.2-0.3mol/L，有機相單體濃度為0.02-0.03mol/L，浸漬時間為10-12分鐘，聚合反應(yīng)時間為3-3.5分鐘，熱處理溫度為80-85℃，時間為8-9分鐘。膜性能特點：通過SEM、AFM、FT-IR、XPS等多種表征手段對膜的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明膜表面呈現(xiàn)均勻致密的結(jié)構(gòu)，具有納米級的孔隙，表面粗糙度較低，均方根粗糙度（RMS）為1.5-2.5nm。膜表面成功引入了季銨基團(tuán)，形成了聚酰胺分離層，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。膜性能測試結(jié)果顯示，膜的水通量隨著壓力和溫度的升高而增加，隨著溶液濃度的增加而下降。在0.6MPa的壓力下，水通量為20-25L?m?2?h?1。膜對鋰離子的截留率為15.5%，對鎂離子的截留率高達(dá)92.5%，離子選擇性系數(shù)約為5.97，表現(xiàn)出良好的離子選擇性。強化機制研究：通過zeta電位分析和離子傳輸理論研究，揭示了季銨基團(tuán)對膜表面電荷密度的影響以及電荷密度與離子傳輸?shù)年P(guān)系。隨著季銨功能化程度的增加，膜表面的zeta電位升高，正電荷密度增大，強化了膜對陽離子的排斥作用，尤其是對多價陽離子的排斥，從而提高了離子的截留率和選擇性。膜的孔徑大小和分布、孔道連通性等結(jié)構(gòu)因素也對Donnan排斥效應(yīng)產(chǎn)生重要影響。合適的孔徑大小和均勻的孔徑分布能夠有效截留多價陽離子，提高離子的選擇性分離能力；良好的孔道連通性能夠為離子提供順暢的傳輸路徑，增強膜的離子傳輸效率和水通量，使Donnan排斥效應(yīng)得以有效發(fā)揮。應(yīng)用效果：將荷正電納濾膜應(yīng)用于鹽湖提鋰和重金屬廢水處理領(lǐng)域，取得了顯著的效果。在鹽湖提鋰應(yīng)用中，對青海某典型鹽湖鹵水進(jìn)行處理，該鹵水鎂鋰比高達(dá)18.24，經(jīng)過納濾膜處理后，鎂鋰比降低到1.55，鋰的回收率達(dá)到80.5%，有效解決了高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰過程中鎂鋰分離困難的問題。在重金屬廢水處理應(yīng)用中，對模擬重金屬廢水進(jìn)行處理，膜對銅離子（Cu2?）、鉛離子（Pb2?）、汞離子（Hg2?）等重金屬離子的截留率均高達(dá)93.5%以上，展現(xiàn)出在重金屬廢水處理中的巨大應(yīng)用潛力。7.2研究的創(chuàng)新