全钒液流电池VO2+离子跨膜渗透行为

采用静止型全钒氧化还原液流电池,利用紫外分光光度法,研究电解液钒离子跨膜渗透行为,讨论浓度、温度、荷电状态(SOC)、电场以及渗透压等对VO²⁺离子跨膜传质的影响,关联相应的钒离子渗透系数。研究结果表明,提高钒电解液浓度可以有效减缓钒离子跨膜传递速率,提高能量效率;适当降低体系温度,可以抑制钒离子的跨膜渗透,减小电池化学短路的发生;VO²⁺离子渗透系数随SOC值增加而迅速减小;正向电场存在会促进VO²⁺离子透膜扩散,加剧电池自放电;隔膜两侧液面渗透压的作用会加速钒离子跨膜渗透,造成电池容量衰减。     

磁电复合场下正极钒离子的跨膜传质

探究了全钒液流电池在外加磁场、电场、磁电复合场下正极电解液中的钒离子在Nafion117膜上的跨膜传质过程,以及在磁电复合场下硫酸浓度和电解液添加剂对传质过程的影响。根据达西定律拟合得出相应的扩散传质系数。实验结果表明正向电场会加剧钒离子渗透,且当电场强度达到30 V·m^-1时渗透情况严重可达到无电场时的2.53倍。非匀强磁场的加入可明显降低钒离子的跨膜渗透性。且当外加磁场和电场复合场时,磁场对降低钒离子跨膜渗透的作用更加显著。实验还得出在不同的外加复合场中较高浓度硫酸有利于降低钒离子的跨膜渗透。此外丙三醇、木质素磺酸钠正极电解液添加剂的加入也降低了VO₂⁺的跨膜渗透性。     

质子传导膜内受限空间离子扩散过程

以具有纳米尺度孔径的聚偏氟乙烯(PVDF)质子传导膜为对象,研究电解质溶液中水合离子在受限空间内的传递行为,证明使用纳米尺度多孔膜代替离子交换膜用于液流电池过程的可行性。利用渗透实验分别研究浓度场、压力场,以及不同渗透压条件下膜中离子扩散和水迁移现象,分析传质行为与膜结构和组成之间的关系。结果表明离子在纳米尺度孔径的PVDF膜中的扩散过程与溶液中类似,表观离子扩散系数不受浓度差推动力的影响;离子交换膜中的表观离子扩散系数随浓度差推动力提高而增加。在渗透压作用下,自制PVDF纳米孔膜的水迁移速率低于Nafion 117膜,水迁移带来的负面影响更小;对于H⁺/VO²⁺的离子选择系数超过300,有效透过H⁺而阻止VO²⁺,适用于全钒液流电池过程。     

磁电复合场下正极钒离子的跨膜传质

探究了全钒液流电池在外加磁场、电场、磁电复合场下正极电解液中的钒离子在Nafion117膜上的跨膜传质过程,以及在磁电复合场下硫酸浓度和电解液添加剂对传质过程的影响。根据达西定律拟合得出相应的扩散传质系数。实验结果表明正向电场会加剧钒离子渗透,且当电场强度达到30V·m~(-1)时渗透情况严重可达到无电场时的2.53倍。非匀强磁场的加入可明显降低钒离子的跨膜渗透性。且当外加磁场和电场复合场时,磁场对降低钒离子跨膜渗透的作用更加显著。实验还得出在不同的外加复合场中较高浓度硫酸有利于降低钒离子的跨膜渗透。此外丙三醇、木质素磺酸钠正极电解液添加剂的加入也降低了VO_2~+的跨膜渗透性。     

用Cluster-Continuum模型计算水溶液中VO2+/VO2+电对溶剂化自由能

利用Cluster-Continuum模型,通过B3LYP方法计算出VO₂⁺/VO²⁺电对的第一溶剂化层的水分子数分别为3和5个,并得到了水溶液中VO₂⁺、VO²⁺离子的溶剂化自由能。利用此计算数值并通过热力学计算推算出VO₂⁺/VO²⁺电对的标准反应电势为1.29 V,与理论值相差不大。这表明利用Cluster-Continuum模型可以较为准确地描述VO₂⁺、VO²⁺离子的溶剂化作用。     

全钒液流电池开路电压模型

建立全钒液流电池六参数开路电压计算模型,揭示开路电压由电池总电势和VO₂⁺/VO²⁺电极电势决定,并与电解液中钒离子透膜扩散行为密切相关。模型计算得到开路电压存在两个电压平台和一个转折点,与实验结果较为一致。利用该模型计算了电池开路时电解液中4种钒离子浓度随时间的变化关系,指出电池电解液不均衡性是由不同价态钒离子在膜相的Donnan平衡和透膜扩散系数不同产生的。该模型可为优化电池操作提供理论指导,并可为电池长期运行时电解液管理提供工程指导。     

聚偏氟乙烯纳米多孔膜结构调控及离子传递特性

在纳微米尺度调控膜孔结构对发展高性能膜分离材料具有重要意义。使用半结晶性高分子材料聚偏氟乙烯（PVDF）,利用非溶剂诱导相分离（NIPS）、蒸汽诱导相分离（VIPS）、溶剂蒸发诱导相分离（EIPS）方法,成功制备了不同形貌的多孔膜。提出了根据聚合物的结晶生长机制调控膜孔结构概念,根据溶剂蒸发时间调控结晶生长。利用SEM和BET对膜孔形貌进行表征,XRD和DSC对结晶进行检测,氢离子（H⁺）和四价钒离子（VO²⁺）以及其他常用离子的扩散系数表征传质特性。在溶剂蒸发诱导结晶的过程中,随着溶剂蒸发时间的延长,膜断面的球晶比例逐渐增加,最后至球晶完全融合,膜孔结构发生了显著变化,且膜的结晶度和结晶形态随之发生变化,离子选择性能随膜孔尺寸减小而逐渐增大。     

基于吸附-扩散机理研究钒离子透膜传质过程(I)——离子膜吸附-扩散模型

钒离子透膜传质是导致钒电池能量损失的关键因素之一,在分析钒离子透膜传质过程的基础上,根据离子交换膜固定电荷理论提出钒离子透膜传质的吸附-扩散模型.由膜内离子Donnan平衡,引入选择性系数研究膜内钒离子吸附过程;考虑膜面浓差电势影响,由Nernst-Planck方程描述膜内钒离子和氢离子交互传质过程,将钒离子透膜扩散过...     

全钒液流电池用多氟聚噁二唑芳醚阴离子交换膜的制备

离子交换膜的钒离子渗透是制约全钒液流电池效率的因素之一。制备了一种新型的、低钒离子渗透的氟化聚芳醚阴离子交换膜。以六氟双酚A、四甲基联苯二酚、含氟单体合成了多氟聚噁二唑芳醚。以N-溴代丁二酰亚胺（NBS）为溴化试剂,过氧化二苯甲酰（BPO）为引发剂,将多氟聚噁二唑芳醚上的甲基进行溴化、功能化得到多氟聚噁二唑芳醚阴离子交换膜（QFOAEM）。研究了该膜的钒离子渗透率、离子传导率、吸水率、溶胀度和离子交换容量（IEC）等性能。研究结果表明：QFOAEM的钒离子渗透率为1.1×10^-8cm²·min^-1,低于Nafion117的3.8×10^-7cm²·min^-1,具有在全钒液流电池中应用的潜力。     

A novel anion exchange membranes with fluorinated poly（aryl ether oxadiazole）s ionomer for all-vanadium redox flow battery

离子交换膜的钒离子渗透是制约全钒液流电池效率的因素之一。制备了一种新型的、低钒离子渗透的氟化聚芳醚阴离子交换膜。以六氟双酚A、四甲基联苯二酚、含氟单体合成了多氟聚噁二唑芳醚。以N-溴代丁二酰亚胺（NBS）为溴化试剂,过氧化二苯甲酰（BPO）为引发剂,将多氟聚噁二唑芳醚上的甲基进行溴化、功能化得到多氟聚噁二唑芳醚阴离子交换膜（QFOAEM）。研究了该膜的钒离子渗透率、离子传导率、吸水率、溶胀度和离子交换容量（IEC）等性能。研究结果表明：QFOAEM的钒离子渗透率为1.1×10^-8cm²·min^-1,低于Nafion117的3.8×10^-7cm²·min^-1,具有在全钒液流电池中应用的潜力。     

新型准对称无机膜的正渗透去除Cd2+的效能

正向渗透(forward osmosis, FO)是一种以溶液渗透压差为驱动力的新型膜技术。课题组在先前研究中使用微界面溶胶凝胶法制备了一种全新的准对称结构无机薄膜(QSTFI膜), 与传统的有机聚合FO膜相比具有更大的优势。本文考察了QSTFI膜分离去除水中重金属Cd²⁺的效能, 讨论了Cd²⁺浓度、提取液浓度以及膜表面带电性对Cd²⁺去除的影响机制。采用扫描电子显微镜(SEM)表征了QSTFI膜的微观形貌, 使用能量色散光谱(EDS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征了膜的化学组成, 并使用原子力显微镜(AFM)表征膜表面带电特性。结果表明, QSTFI膜表面带负电荷, 能够与液相主体中的Cd²⁺通过静电引力形成双电层结构, 双电层的Debye厚度越大越有利于膜对Cd²⁺的截留。FO实验测试中原液Cd²⁺浓度为10 mg·L^-1的条件下, QSTFI膜对Cd²⁺截留率超过99%, 水通量最大值可达到69 L·m^-2·h^-1(提取液为2.0 mol·L^-1 NaCl)。本研究为拓展FO技术在含重金属废水处理的潜在应用前景提供了理论依据和指导。     

氰化尾渣矿浆电解液中铁离子的萃取富集

采用二(2-乙基己基)磷酸酯(P204)-磺化煤油萃取体系从高硫酸氰化尾渣矿浆电解液中富集铁离子,重点研究了P204浓度、相比(O/A)、振荡时间、振荡频率及温度等对Fe³⁺萃取率的影响及其萃取过程。研究表明,在P204体积分数为25%、电解液pH为1.5、温度25℃、O/A=1∶1、振荡时间10 min、振荡频率180r/min的条件下,电解液中Fe³⁺的单级萃取率可达97.73%以上,饱和萃取容量可达到21.57g/L。Fe³⁺在有机相中的萃取富集主要归因于其与P204分子结构中羟基的阳离子交换反应以及磷酰基的配位反应,形成的配合物为FeSO₄A(HA)₃与FeA₃(HA)₃。在草酸1mol/L、O/A=1∶1、振荡时间10min、振荡频率190r/min的条件下,负载有机相中Fe³⁺的单级反萃率可达82.64%以上,反萃液中铁主要以[Fe(C₂O₄)_3<...     

连续共价有机框架筛分复合膜及全钒电池性能

设计了应用于全钒液流电池的尺寸筛分效应共价有机框架/聚醚砜(COF/PES)复合膜,利用纳米片的有序交错堆叠在聚醚砜支撑层上构建了具有均匀埃米级离子传输通道的连续COF分离层。连续COF层的规整刚性骨架赋予了膜极低的溶胀比,有序的埃米级孔道(有效孔径约为0.6 nm)对氢/钒离子具有精确的尺寸筛分作用。COF/PES筛分复合膜的钒渗透率仅有0.61×10^-8 cm^-2·s^-1,质子/钒离子选择性为Nafion 212的4.0倍。电流密度为80 mA·cm^-2下复合膜的能量效率达到82.9%,优于Nafion 212(81.2%)。100 mA·cm^-2下的长循环测试中,复合膜电池容量保持率相比于Nafion 212电池提高了16.2%,表明连续COF/PES筛分复合膜在全钒液流电池中具有广阔的应用前景。     

中空纤维膜渗透汽化过程中Dean涡强化传质的CFD模拟

建立了一个三维的弯管式中空纤维膜渗透汽化传质CFD模型,研究Dean涡对渗透汽化过程传质的影响,描述了膜内侧的浓度和速率变化情况,该模型与Leveque传质关联式具有良好的一致性。研究结果显示：弯管膜中Dean涡的存在能降低边界层传质阻力,总传质系数比直管膜提高了4倍;在不同的入口速率和浓度条件下,弯管膜内侧的壁面剪应力均大于直管膜。在膜阻力远小于边界层阻力的情况下,入口速率0.275 m·s^-1,水浓度10%（质量）时,弯管膜的渗透通量为12636 g·m^-2·h^-1,是直管膜的5倍。可见,弯管式中空纤维膜在渗透汽化过程中具有显著的强化传质效果。     

连续共价有机框架筛分复合膜及全钒电池性能

设计了应用于全钒液流电池的尺寸筛分效应共价有机框架/聚醚砜(COF/PES)复合膜,利用纳米片的有序交错堆叠在聚醚砜支撑层上构建了具有均匀埃米级离子传输通道的连续COF分离层。连续COF层的规整刚性骨架赋予了膜极低的溶胀比,有序的埃米级孔道(有效孔径约为0.6 nm)对氢/钒离子具有精确的尺寸筛分作用。COF/PES筛分复合膜的钒渗透率仅有0.61×10^-8 cm^-2·s^-1,质子/钒离子选择性为Nafion 212的4.0倍。电流密度为80 mA·cm^-2下复合膜的能量效率达到82.9%,优于Nafion 212(81.2%)。100 mA·cm^-2下的长循环测试中,复合膜电池容量保持率相比于Nafion 212电池提高了16.2%,表明连续COF/PES筛分复合膜在全钒液流电池中具有广阔的应用前景。     

Protein-derived nitrogen and sulfur co-doped carbon for efficient adsorptive removal of heavy metals

A nitrogen and sulfur co-doped carbon has been synthesized employing egg white as a sustainable protein-rich precursor. According to CHNS elemental analysis, N, S and O heteroatoms accounted for mass fractions of 3.66%, 2.28% and 19.29% respectively, and the types of surface functionalities were further characterized by FT-IR and XPS measurements. Although the carbon possessed a smaller surface area (815 m²·g^-1) compared to a commercial activated carbon (1100 m²·g^-1), its adsorption capacity towards Co²⁺ reached 320.3 mg·g^-1, which was over 8 times higher compared to the limited 34.0 mg·g^-1 over the activate carbon. Furthermore, the carbon was found to be an efficient adsorbent towards a series of metal ions including VO²⁺, Cr³⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ and Cd²⁺. Combined with its environmental merits, the protein derived carbon may be a promising candidate for heavy metal pollution control.     

锂辉石浸出液提锂除杂规律研究

碳酸锂是一种基础锂盐, 不仅广泛应用于传统化工行业, 也是生产锂电池的重要原料, 近年来锂电产业蓬勃发展, 极大推动了原料碳酸锂的提取与制备研究。为了提取锂辉石中的锂来制备碳酸锂, 利用沉淀溶解-平衡理论分析锂浸出液的除杂规律。对锂辉石进行转型焙烧、酸化焙烧、浸取, 锂辉石中98%左右的锂可进入液相, 得到锂浸出液, 然后根据溶解平衡理论确定3步除杂净化条件：1）中和pH至6.5除大部分Al ³⁺和Fe ³⁺;2）加入氧化剂将Fe ²⁺氧化成Fe ³⁺, 调 pH 至8.0除Fe ³⁺;3）调pH至10.0, 加入理论量碳酸钠（以液相Ca ²⁺计）, 最终Al ³⁺、Fe ³⁺、Mg ²⁺ 等浓度低于10 ^-6 mol/L, Ca ²⁺质量分数约为2×10 ^-5。     

陶瓷膜接触器化学吸收氮氧化物的传质过程与阻力分析

针对选择性催化还原技术(SCR)存在装置大、运行费用高、催化剂中毒失活等问题,将平均孔径为100 nm的Al₂O₃陶瓷膜进行疏水改性并组装成膜接触器,以NaClO₂水溶液为吸收液,开展陶瓷膜接触器在烟气脱硝领域的应用研究。考察了陶瓷膜接触器在化学吸收脱硝中的稳定性,以及气体流量、吸收液浓度、吸收液流量、吸收液pH等因素对NO脱除率和传质通量的影响,基于阻力串联模型,建立总传质系数方程。研究表明,陶瓷膜接触器在连续600 min运行过程中,NO的脱除效率及传质通量分别稳定在99%和0.038 mol·m^-2·h^-1左右。进气流量的增加会促进NO的吸收,吸收液pH=3时具有最高的氧化吸收性能,同时提高吸收液的浓度会增强NO的脱除效果。NO的传质过程同时受气、液、膜三相阻力控制,传质阻力分析结果表明,可以通过增加气体流速减小气相阻力,增加吸收液浓度同时降低pH减小液相阻力。本研究在烟气脱硝领域具有良好的应用前景。