[发明专利]一种高强、高离子选择性薄膜的制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高强、高离子选择性薄膜、制备方法与应用。薄膜是金属离子为交联剂，与生物质高分子进行交联，得到生物质‑金属离子交联薄膜。所述方法包括以下步骤：1)配置一定浓度的金属盐溶液以及一定浓度的生物质溶液；2)称取生物质溶液，加入金属盐溶液使两者进行交联，室温晾干得到生物质高强交联薄膜。所制备的交联薄膜在盐差发电中的应用。本发明降低了污染环境的问题和成本，有效地优化了薄膜的力学性能，方法简单，可大规模制备不同盐溶液浓度和不同厚度的交联薄膜。

技术领域

本发明涉及一种高强、高离子选择性薄膜、制备方法与应用，属于离子选择性薄膜制备领域。

背景技术

在化石等不可再生能源快速消耗、环境日益恶化的背景下，探索清洁、可再生能源来满足人类社会对能源的需求对人类文明的生存和可持续发展具有重要意义。存在于海水和淡水之间的盐差能被誉为是“蓝色能源”，是一种清洁、可持续的能源，这种能源可再生、对环境无污染、零排放，并且与风能、太阳能等相比，盐差能不会受到天气、地理位置等客观因素的影响，更加适合人类的发展。但是有效地提取它作为一种有用的能量形式，对于目前的技术来说仍然是一种挑战。迄今为止，基于膜技术的盐差能的提取如反电渗析法，由于其安全性高、操作简单、灵活性强等显著优势备受关注。在反向电渗析技术中，离子选择性膜是将盐差能转化为电能的关键材料，膜的离子选择性决定了膜的性能，而渗透性限制了膜的输出功率密度。在渗透性和选择性之间取得平衡已成为一项挑战。

近年来，由于，高分子薄膜成本低、资源广泛，高分子基离子选择性薄膜被开发用于盐度梯度驱动的功率转换。例如，朱等人设计的两个带负电荷的离子交联聚合物六磺化聚芳醚酮和带正电荷的修饰吡啶的聚醚砜组合通过旋转涂布获得三维多孔结构与不对称膜纳米通道，在海水和河水体系中表现出功率密度为2.66W m^-2。申请号为CN201910848756.4的中国专利采用紫外光辐照方法制备了高密度杂化梯级孔离子选择性膜。此发明通过设计合成紫外光断键、交联的嵌段共聚物，利用嵌段共聚物组装体实现了大面积有序的超高的孔密度自支撑膜，再通过具有三维结构的聚乙烯亚胺分子对纳米孔道进行精确的界面修饰。超高的孔密度和电荷密度带来的离子传输量和离子选择性可以实现其在盐差发电方面的优异性能，在500倍电解液浓度梯度下输出功率密度最大为22.1Wm^-2。申请号为CN201710374911.4的中国专利采用溶剂退火方法制备了嵌段共聚物膜与功能性孔离子选择性膜。此发明通过溶剂退火，使嵌段共聚物膜中的无规通道垂直贯通，一方面减小了离子传输的有效距离，减小了阻抗，另一方面也增大了有效的功能区长度，大幅度提高了离子选择性，复合离子通道盐差发电薄膜的盐差发电功率密度为0.70Wm^-2。然而，聚合物基离子选择性力学性能差，膜的性质容易受到海水或河水的影响，从而影响了膜的实际工业应用。另外，聚合物基膜的制备过程复杂或原料昂贵，难以规模化制备。此外，盐差能转换过程中的能量损失也可能阻碍其应用。为了保持经济相关性，该行业的最终目标是确保输出功率密度高于5Wm^-2。因此，开发一种力学性能优异、高功率密度、可规划规模化制备的离子选择性膜是实现其产业化应用的关键。

发明内容

本发明的目的是针对目前离子选择性薄膜存在的问题，提供一种高强、高离子选择性薄膜、制备方法与应用。所述的高强、高离子选择性薄膜为生物质-金属离子交联膜，实现盐差的高效转化。所述薄膜，可大规模制备、成本低廉、工艺简单、机械强度高。所述生物质高分子材料包括纤维素、木质素、壳聚糖、藻酸钠、儿茶素和甲壳素中的一种、两种或多种，金属离子包括Al³⁺、Ca²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺和Sn⁴⁺中的一种、两种或多种。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高强、高离子选择性薄膜，所述薄膜为金属离子和生物质交联膜。其中，金属离子为交联剂。以交联膜总重量计，所述交联膜中生物质的重量百分含量为80％-98％。