磁场诱导梯度荷电纳滤膜的构筑及其对盐湖卤水的镁锂分离和抗污染机制

High magnesium/lithium ratio is the characteristics of salt lake in Qinghai, and is also the main problem in recovery of lithium. As a new means of separation of magnesium and lithium, nanofiltration membrane separation technology is still subject to the low efficiency and pollution problems. In this project quaternized graphene-Fe3O4@TiO2 nanomaterials are selected as the modifier of polyether sulfone (PES) nanofiltration membranes, and these nanomaterials intend to achieve the positive charge, photocatalytic performance and polymer compatibility. We propose the "blending migration induced by the magnetic field" design to prepare the hybrid membranes which will be the positively charged, antimicrobial and autocatalytic nanofiltration membranes. The migration behavior of nanomaterials to membrane surface and hole wall induced by the magnetic field will be explored, and the influence of nanomaterial fine structure, magnetic induction effect and preparation conditions on membrane microstructure will be investigated. We will analyze the relation among membrane microstructure, separation of magnesium and lithium, visible catalytic and antipollution performance, thus grasp the microstructure control method of quaternized graphene-Fe3O4@TiO2/PES nanofiltration membranes and reveal their separation and antipollution mechanisms. The project will provide an important theoretical and experimental basis for the structural design of charged membrane and its application in the area of salt lake metal recovery.

高镁锂比既是我国青海盐湖卤水的特色，也是盐湖提锂面临的主要难题。纳滤膜分离技术作为新兴的镁锂分离手段，仍受制于分离效率低和易污染等问题的困扰。本项目拟合成具有荷正电、光催化、磁性及聚合物相容性的季铵化石墨烯-Fe3O4@TiO2 纳米材料，采用“共混—磁场诱导迁移”的方法构筑季铵化石墨烯-Fe3O4@TiO2/聚醚砜杂化平板纳滤膜，并在膜制备过程中引入磁场，驱动纳米材料向膜表面和孔壁迁移，使其呈现梯度分布，提高纳滤膜的镁锂分离效率和抗污染性能。优化纳米材料的组分比例和精细结构；重点探索磁场诱导下纳米材料向膜表面的迁移行为及其调控方法，分析纳米材料结构、磁场作用及膜制备条件对纳滤膜微结构的影响规律；研究膜微结构与镁锂分离性能以及抗污染性能的关系。掌握纳滤膜微结构控制方法，揭示其对镁锂的分离机制和抗污染机理。项目将为荷电分离膜的结构设计及其在盐湖金属回收领域的应用提供重要的理论依据和实验基础。

高镁锂比既是我国青海盐湖卤水的特色，也是盐湖提锂的主要难题。纳滤膜分离技术作为新兴的镁锂分离手段，仍受制于分离效率低和易污染等问题的困扰。本项目采用不同的胺类聚合物制备具有不同结构和荷电性的纳滤膜，研究了纳滤膜的荷电性和结构与膜对Mg2+和Li+的选择分离性能之间的关系，镁锂截留率差值由25.58%增加到71.2%（膜表面电荷密度由-1.77e-3 增加到2.65e-3 c/m2），结果表明纳滤膜荷正电性越高镁锂分离效果越好。调控界面聚合制备参数，对上述分离性能最佳的荷电性纳滤膜的结构和性能进行优化设计，制备出一种高荷正电性超薄复合纳滤膜，结果表明：镁锂离子分离性能和水通量均得到大幅度提高。开展引入磁场调控Fe3O4-COOH和Fe3O4-NH2纳米颗粒向基膜表面移动制备不同荷电性的基膜，探索基膜荷电性对超薄复合纳滤膜分离镁锂性能的影响，结果表明：Fe3O4-COOH的纳滤膜镁锂分离因子（8.14）能略高于其他两种纳滤膜（含有Fe3O4-NH2纳米颗粒纳滤膜为7.54，传统纳滤膜分离因子为7.87），但水通量均相差不大（3.98 L/m2•h •bar））。通过抽滤荷负电性更强的（羧基化纤维素纳米晶）作为中间层，研究其对高荷正电性超薄复合纳滤膜分离镁锂性能的影响，结果表明，基膜负电势更强，PA层荷正电势更高的时候，纳滤膜镁锂分离性能更好，构建成Janus膜结构，镁锂分离因子达到12.15。采用一步法制备富含胺基的氧化石墨烯量子点，然后利用表面的胺基直接与TMC反应，从而形成富含胺基石墨烯量子点的纳滤膜，发现其镁锂分离截留率差值达到65.79%，此时，水通量为11.98 L/(m2•h•bar)。拓展探讨了不同氧化石墨烯和氧化碳纳米管含量混合液、组装不同氧化石墨烯层和氧化碳纳米管层，分别对纳滤膜截留和分离性能的影响。