膜科学与技术

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• 两亲聚合物锂盐改性锂电池隔膜的制备及性能

  聚烯烃隔膜是锂离子电池（LIB）的关键材料，电解液相容性差、热稳定性低及孔径不均匀是聚烯烃隔膜存在的主要问题。隔膜涂覆改性是解决这些问题的主要方法。为了得到高效、环保、低成本的聚烯烃隔膜涂层新材料，本研究设计合成了一种水相分散的两亲聚酯聚合物纳米粒子锂盐（APNL），并通过水相涂覆法将APNL沉积到聚丙烯（PP）隔膜的表面，制备了两亲聚合物锂盐改性隔膜（APNL@PP）。研究发现，APNL提高了隔膜的锂离子电导率，改善了隔膜与电极界面的相容性，有效降低界面处锂离子的传输阻力，促进锂离子在锂负极表面的均匀沉积，抑制锂枝晶的生长。由APNL@PP-1隔膜组装的LiFePO4/Li模型的电池，1 C下循环200圈后容量保留率为80.0%；组装的NCM811/Li电池，1 C下循环50圈后容量保留率在94.76%，均显著高于未改性的隔膜，表明APNL@PP隔膜提高了电池的循环稳定性。

• 船闸式LMO||PPy双膜系统同步电控提取盐湖卤水中LiCl

  针对高镁锂比盐湖卤水中锂资源高效提取的难题，本研究构建了一种非对称异质结构的锰酸锂||聚吡咯（lithium manganate || polypyrrole，LMO||PPy）双膜系统，结合船闸式电控离子选择渗透技术（SL-ESIP），实现了LiCl的高效分离提取。通过调控聚丙烯酸（PAA）含量（55%，质量分数）制备了单面亲水/单面疏水的非对称复合膜，并优化了膜电极导线接口数量（3线连接）和腔室间距（2 mm），显著提升了LiCl渗透通量。实验结果表明，在纯锂溶液中，Li+渗透通量达0.109 mol/(m2·h)；在镁锂比为20∶1(质量比)的模拟卤水中，经10次循环后，Li+通量稳定在0.055 mol/(m2·h)，锂镁分离系数为18.03，展现出优异的循环稳定性和选择性。因此，船闸式LMO||PPy双膜系统可作为LiCl连续同步提取的高效技术方案。

• 聚4-甲基-1-戊烯中空纤维氧合膜表面修饰研究

  聚4-甲基-1-戊烯（PMP）中空纤维膜作为第三代氧合膜，具有优异抗血浆渗漏性与良好气体渗透性的优点，然而，较差的血液相容性已成为制约其长期使用的关键问题。为提高PMP膜材料血液相容性，本研究提出了一种磷酰胆碱聚合物（PMLT）修饰方法。为提高PMLT接枝稳定性，首先利用没食子酸（GA）的氧化自聚沉积在PMP膜表面引入羟基基团，然后将PMLT聚合物通过化学键接枝在PMP膜表面，形成稳定、连续的抗血栓涂层。场发射扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等表征结果验证了GA@PMLT复合涂层的成功制备，且涂层在生理盐水中振荡一周仍能稳定存在。在气体通量无明显下降的前提下，GA@PMLT涂层明显改善了PMP膜的血液相容性。本研究为氧合膜血液相容性修饰提供了新的思路。

• 原位反应改性制备抗污染抗菌PVDF/PEI超滤膜

  膜表面有机物吸附和形成生物膜是超滤膜污染的重要原因。为制备兼具抗污染和抗菌功能的超滤膜，本研究采用聚乙烯亚胺（PEI）与聚偏二氟乙烯（PVDF）在制膜液中共混进行原位交联、季铵化和两性离子化反应，经非溶剂诱导相分离（NIPS）路线制备出氨基、季铵盐和两性离子改性的PVDF/PEI超滤膜（PVDF-PEI-Q-Z）。考察了膜的亲水性、蛋白质吸附和截留、抗污染及抗菌等性能。研究发现，仅进行季铵化反应的超滤膜（PVDF-PEI-Q）具有良好的亲水性和抗菌性能，但蛋白质吸附能力强，抗污染性较差；同时含烷基长链季铵盐阳离子和两性离子的PVDF-PEI-Q-Z膜，兼具良好的亲水性、抑菌性和抗污染性。结果表明，制膜液中共混PEI原位反应与非溶剂诱导相转化相结合的方法，是制备兼具抗菌、抗污染功能的超滤膜的有效策略。

• 浸没式中空纤维膜通量分布特性分析

  通量分布特性是膜材料从理论走向应用的核心支撑，本研究综合运用理论建模、计算流体力学（CFD）和实验测试三种方法研究浸没式中空纤维膜的通量分布特性，以期为膜产品的设计、开发和运行等提供理论依据。首先依据流体力学理论建立膜丝内部通量分布的简化计算模型；然后采用CFD方法，获得膜丝内部压力场分布；最后通过实验方法，从抽吸方式、平均通量及渗透阻力三个方面，对膜丝内部通量分布进行实测。结果表明，简化计算模型与CFD流场模拟和实验测试结果相互印证，规律及结论具有统一性，验证了计算模型的有效性。主要得出以下结论：膜丝沿长度方向抽吸存在通量分布的不均匀性，且随距离增大，局部通量逐渐降低；双端抽吸方式优于单端抽吸，首次通过CFD及实验测试方法验证双端抽吸下存在“突跃区域”；在相同条件下，以PVDF材质为代表的大渗透阻力超滤膜通量分布均匀性优于小渗透阻力微滤膜，但其阻力损失也更大。

• 基于PIP-DEA-TMC界面聚合体系制备内压式中空纤维复合纳滤膜

  采用非溶剂致相分离法（NIPS）制备了聚醚砜（PESU）中空纤维底膜,并选择哌嗪（PIP）和具有良好亲水性的二乙醇胺（DEA）作为水相单体，与均苯三酰氯（TMC）通过界面聚合（IP）在PESU底膜内表面形成聚酰胺分离层。利用ATR-FTIR、XPS、SEM、Zeta电位测定仪和水接触角测定仪对膜进行表征，并考察水相中DEA含量对纳滤膜分离性能的影响。结果表明，DEA成功引入聚酰胺分离层中，随着其比例的提高，聚酰胺分离层的表面形貌发生显著改变；分离层厚度减小，膜表面所带负电荷减少；亲水性和水通量提升。最佳水相组成为：DEA质量分数为1.2%，PIP质量分数为0.8%，此时纯水通量为67.0 L/(m2·h),达到未加入DEA膜的1.74倍，截留分子量（MWCO）为1 605 Da，其对Na2SO4、MgSO4、MgCl2和NaCl的截留率分别为91.2%、86.4%、38.1%、25.4%，160 h连续过滤测试显示膜性能稳定。

• 聚乙烯醇辅助的抗污染高通量Fe2O3/Al2O3陶瓷复合超滤膜制备

  陶瓷膜因孔径分布窄、亲水性强等优势在含油废水处理方面备受关注。为开发抗污染高通量陶瓷膜，本研究采用具有高亲水性的Fe2O3作为膜层材料，结合聚乙烯醇（PVA）的空间位阻效应，在大孔Al2O3载体上制备完整无缺陷的Fe2O3膜层。系统考察了PVA添加量对溶胶及膜层的影响。结果表明，当PVA添加量为1.0%(质量分数)时，获得了完整的Fe2O3/Al2O3陶瓷复合超滤膜，其截留分子量约为450 kDa，对应的Stocks尺寸约为26 nm，纯水渗透率高达6 800 L/(m2·h·MPa)。接触角及表面张力测试结果表明,该复合膜具有优异的抗污染性能和亲水性能。在1 000 mg/L水包油乳液过滤分离中，该复合膜对油滴去除率接近100%，通量稳定在430 L/(m2·h)左右，是Al2O3微滤膜通量的2倍。经纯水简单冲洗后，复合膜通量即可恢复至70%左右，表现出良好的可清洗性与抗污染性能。本研究所制备的Fe2O3/Al2O3陶瓷复合膜在油水处理中展现出了潜力，有望为工业化应用提供技术参考。

• 喷涂辅助界面聚合制备聚乙烯基聚酰胺纳滤膜

  聚酰胺纳滤膜因其优异的分离性能而被广泛应用，但传统界面聚合法（CIP）制备聚酰胺纳滤膜时存在分离层结构难控、溶液利用率低等问题。本研究将喷涂技术与界面聚合技术结合，以聚乙烯微孔膜为支撑层制备聚乙烯基纳滤膜（PE-NF），并详细探讨了膜制备参数对膜结构与性能的影响。结果表明，采用喷涂辅助界面聚合可获得表面更平整、结构更均一的分离层；在优化条件下，膜对硫酸钠的截留率超过98%，水渗透通量约为72 L/（m2·h），显著高于CIP制备的纳滤膜[<50 L/（m2·h）]。喷涂辅助界面聚合制得的纳滤膜较低的交联度、较大的孔径以及强表面负电性，在确保其优异分离性能的同时，实现了水通量的提升。本研究验证了喷涂辅助界面聚合在聚酰胺分离层可控构筑中的可行性与优势，为界面反应调控及新型纳滤膜的制备提供了参考。

• 聚乙烯醇杂化三乙烯二胺阴离子交换膜的制备及酸回收性能研究

  阴离子交换膜（AEMs）是扩散渗析技术的核心组件。本研究利用聚乙烯醇（PVA）和季铵盐材料羧基侧基三乙烯二胺（DABCO-COOH），制备了新型AEMs，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征手段测试了膜的理化性质，并评估了其在酸回收中的应用。研究结果显示，膜M2(即DABCO-COOH添加量为0.4 g时)综合性能最佳，此时膜的含水量（WR）为91.55%，线性溶胀率（LER）为25.43%，离子交换容量（IEC）为1.054 mmol/g，拉伸强度（TS）值为53.4 MPa，断裂伸长率（Eb）值为158.5%，酸渗析系数（UH+）和分离系数（S）值分别为21.1×10-3 m/h和44.5。所制备的新型离子交换膜性能优于商用DF-120膜，并且在酸回收领域展现出较大的应用潜力。

• 聚苯胺复合离子膜及液流电池性能研究

  铁-铬氧化还原液流电池(ICRFB)相对成本较低，在大规模储能领域中具有较好的应用前景。其中，质子交换膜作为铁-铬氧化还原液流电池的重要组件，对电池储能效率具有较大影响，因此开发新型高性能质子交换膜材料至关重要。本研究通过在Nafion膜中掺杂聚苯胺纳米管(PANI)，成功制备了一系列不同掺杂量的聚苯胺复合离子膜。PANI纳米管的引入提高了膜的保水率和尺寸稳定性，并增强了质子传导性能。实验结果表明，Nafion/PANI-0.5膜在80 ℃下的质子电导率达到223.4×10-2 S/cm。采用该膜的ICRFB单电池在电流密度为100 mA/cm2时，库仑效率(CE)和能量效率(EE)均优于Nafion膜，分别达到97.9%和87.2%。本研究制备的Nafion/PANI-0.5膜在ICRFB中的应用中展现出良好的性能，为提升液流电池储能系统的整体效能提供了新的思路。