添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响_李苗雨.pdf

第 卷第期膜科学与技术 年月 添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响李苗雨，郭雅妮，同帜，詹辉，崔双科，刘璐（西安工程大学 环境与化学工程学院，西安 ；陕西省现代设计研究院有限公司，西安 ）摘要：以粉煤灰为骨料，羧甲基纤维素（）为黏结剂，分别选取聚甲基丙烯酸甲酯（）、木炭粉为造孔剂，、硼砂为烧结助剂，采用挤压成型法与固态粒子烧结法制备粉煤灰基陶瓷膜支撑体考察造孔剂与烧结助剂的种类、添加量对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响，并对膜的纯水通量、抗折强度、微观形貌、物质组成、孔隙率和酸碱腐蚀率等性能进行表征结果表明：木炭粉为造孔剂，为烧结助剂时，所制得的粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能兼具良好的机械性能与透水性能木炭粉最佳添加量为（质量分数），此时支撑体平均孔径为，孔隙率为 ，纯水通量为 （），抗折强度为 ，酸、碱腐蚀率分别为 和 最佳添加量为（质量分数），此时支撑体平均孔径为，孔隙率为 ，纯水通量为 （），抗折强度为 ，其酸、碱腐蚀率分别为 和 关键词：造孔剂；烧结助剂；陶瓷膜支撑体；粉煤灰中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：目前，水污染形势依旧严峻，污水、废水处理及回用等方面亟待探索高效、可持续、低成本的污水处理方案应用于实践，膜技术具有低污染、低能耗、高效率、操作简便等优点，决定了其应用潜力巨大 无机陶瓷膜在耐高温、抗腐蚀、机械强度、使用寿命等方面优势明显然而 在 目 前 的 陶 瓷 膜 制 备 中，支 撑 体 所 用 等原料使得其制备成本普遍较高，限制了陶瓷膜的产业化进程 一般低成本材料制得的支撑体虽具备足够的机械强度，但其纯水通量与孔隙率较低，透水性能较差，而造孔剂与烧结助剂在支撑体制备中能有效改善孔隙结构与力学强度，对降低支撑体制作难度，提高其抗折强度与纯水通量具有重要意义粉煤灰作为工业废弃物，低价易得，其成分中含有重金属等有害物质，但同时也包含大量的、，可用于制备陶瓷膜 等 分别采用电厂回收的粉煤灰颗粒和高岭土材料制备复合陶瓷膜支撑体和膜层，平均孔径和水通量为 和 （），性能较好，同时降低了材料成本 黄吉光等 采用骨料粉煤灰、添加剂糊精、羧甲基纤维素制得孔隙率、抗弯强度 、平均孔径 的低成本粉煤灰陶瓷膜支撑体，但其纯 水 通量较小，仅为 （）而改变添加的造孔剂、烧结助剂收稿日期：；修改稿收到日期：基金项目：陕西省科技厅重点研发计划项目（；）第一作者简介：李苗雨（），女，陕西渭南人，硕士研究生，主要从事无机陶瓷膜研究，：通讯作者，：引用本文：李苗雨，郭雅妮，同帜，等 添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响 膜科学与技术，（）：，.（），（）：第期李苗雨等：添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响 能进一步改善 支撑体性 能 等 利 用 沸石生产线的廉价残留物（含钠、铝和硅的氧化物）作为烧结助剂制备多孔 陶瓷膜，制备的碳化硅膜具有 （）的高通量，孔隙率为，机械强度达到 同帜等 综合对比类造孔剂，最终选定淀粉，制备出综合性能良好的黄土基础瓷膜支撑体，为后续涂膜研究奠定基础鉴于此，本研究以粉煤灰为骨料，羧甲基纤维素（）为黏 结 剂，选用聚甲 基丙烯 酸甲 酯（）、木炭粉作为造孔剂，、硼砂作为烧结助剂，设定添加量（质量分数）分别为、考察不同添加量的造孔剂以及烧结助剂对膜支撑体物理性能、物质组成以及微观形貌等方面的影响，以选择最佳添加剂，进一步制得满足抗折性能、同时拥有良好透水性能的无机陶瓷膜支撑体成品，为工业副产品资源化及制备低成本高性能陶瓷膜的研究提供方案实验部分原料与试剂粉煤灰（，西安发电厂），表所示为其主要成分；黏结剂：羧甲基纤维素（国药集团化学试剂有限公司），化学纯造孔剂：聚甲基丙烯酸甲酯（国药集团化学试剂有限公司），分析纯；（无锡市亚泰联合化工有限公司），分析纯；木炭粉，（宁合立洁化工有限公司）烧结助剂：，（天津市致远化学试剂有限公司），分析纯；，（天津市致远化学试剂有限公司），分析纯；硼砂，（福晨（天津）化学试剂有限公司），分析纯表粉煤灰物质组成 其他 支撑体的制备图为陶瓷膜支撑体制备流程图将粉煤灰与添加剂在烧杯内进行干料混合，加入蒸馏水，搅拌 后在水浴锅中以 继续搅拌，以蒸发掉多余水分从而调整混合物含水率待含水率控制到 左右，将其用保鲜膜包裹密封，室温下陈化 以上；陈化后的泥料于挤泥机中施加 压力，挤出内径为、壁厚为、长度为 的管状支撑体湿坯，于 干燥箱内干燥 干燥后的支撑体置于马弗炉中，设定最高温度 ，按一定烧结程序烧制干燥需恒温恒湿防止开裂，采用吊烧方式可避免支撑体烧制弯曲图支撑体制备工艺流程图 膜科学与技术第 卷支撑体的表征及性能测试纯水通量采用图所示实验室自制装置测试（台秤为 型电子天平，沈阳龙腾电子有限公司生产；真空泵为 （）型，巩义市科瑞有限公司生产）考虑到装置大小，所测样品为内径、壁厚、长度 的湿坯烧制后所得支撑体，烧制后样品内径、壁厚、长，通量测试时支撑体末端需要包覆密封，另一端与阀门连接，实际液面接触长度为 当真空泵压力达到 且过滤水量稳定后，开始测量透过水的体积（水的质量 水的密度换算得出体积）对应的时间，并根据公式（）计算渗透通量：（）式中：为渗透通量，（）；、分别是 下，内、外种加压形式下测得的液体透过总量，；为样品有效透过面积，；为透过时间，图支撑体水通量测定自制装置 采用压汞法测定孔径分布 实验选用 式压汞仪进行测试，基本方法为：制取干燥待 测样 品（直 径为 、厚 度 为 的支撑体圆片）；将样品放入真空室处理，以去除样品内部和表面的空气；注汞入样品中，保证样品中的所有孔隙；设置相应的压力和时间，进行压汞；所得数据按照公式（）计算：（）式中：为孔径，；为汞的表面张力，；为接触角，；为压力，孔隙率测定同样参考压汞法，抗折强度测试参照 标准用万能材料试验机（型）进行酸 碱腐蚀率参考国家标准 测定 用扫描电子显微镜（）（型）对微观形貌进行观察；采用 射线衍射仪（型）测试样品的物相组成结果与讨论造孔剂对支撑体性能的影响实验分别选取木炭粉、聚甲基丙烯酸甲酯（）、碳酸钙（）为造孔剂，设置造孔剂添加量（质量分数）为、物理性能图为木炭粉、和 添加量对支撑体纯水通量和抗折强度的影响趋势图 由图可以看出，造孔剂的添加皆促进了支撑体纯水通量的提升当添加量为 时，添加种造孔剂的样品纯水通量相差不大，是因为较低的添加量使得造孔效果均不明显，但 颗粒半径最大使得其造孔效果略占优势添加量为 时，添加木炭粉的样品水通量由 （）激增至 （），远优于其余种造孔剂对水通量的提升区间：（）；：（），且 对应样品水通量上升最为缓慢这是因为等质量造孔剂，体积越大、烧失率越高者对支撑体孔隙率提升越有效；相同孔隙率的情况下，若形成的孔隙结构越大，对水通量的提升也有一定帮助密度最小的木炭粉形成的孔隙总体积与连通性最大，孔隙尺寸增大，对水通量的提升帮助最佳种造孔剂密度由小到大顺序为：木炭粉 ，故木炭粉对应样品水通量最优 密度虽大于，但其颗粒结构更大且不均匀，能形成较大而不规则的孔隙，对水通量提升有帮助 故 对应样品水通量远小于木炭粉对应样品，略优于添加 的样品；颗粒虽均匀规整，但形成的孔洞细小且均匀，其样品纯水通量表现最差由图还可以看出，造孔剂添加量上升对支撑体抗折强度有负影响，添加、木炭粉的样品更抗弯折 当添加量为 时，添加木炭粉的样品抗折强度急剧减小，是因木炭粉不与支撑体原料反应，于烧结中完全烧失产生大量孔洞，且其颗粒大小不均、形状各异且易团聚，易使样品孔结构不均，承 压 分 布 不 匀，使 抗 折 强 度 下 降 明 显 添 加的样品抗折强度也在添加量为 时出现骤减，随后缓慢减小 这是由于造孔剂的加入提高了支撑体孔隙率，降低了相邻原料颗粒之间的键第期李苗雨等：添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响 桥强度，从而显著降低了支撑体抗折强度 而所制样品普遍抗折性能较强是由于其颗粒较细，孔洞大小分布均匀，故支撑体承压均匀，不易折断 添加 的样品抗折强度减小幅度平缓，机械强度性能普遍较差这主要有两方面的原因：一方面，在烧结过程的高温下分解，生成 气体逸散使支撑体内部形成孔隙，而随造孔剂 进一步添加，支撑体孔隙也随之增多，样品抗折强度下降；另一方面，碳酸钙高温分解产物 留存在了支撑体中，并与粉煤灰原料中 和 等物质结合形成硬度较大的钙长石，这对抗折强度的提升有一定帮助，但总体上，由于孔隙的增多，样品抗折强度依旧呈不断降低的趋势，即支撑体机械强度仍然下降添加量为 时，种样品抗折强度基本呈稳步下降趋势，是由于造孔剂的进一步添加使得样品孔隙率上升，从而抗折强度下降，但对应样品在添加量为 时抗折强度有一个微小提升，应为仪器误差所致图造孔剂添加量对支撑体纯水通量和抗折强度的影响 微观形貌图为不同造孔剂各添加量下的支撑体截面 图，放大倍数均为 倍 从图可观察到，添加不 同 造 孔 剂 支 撑 体 内 部 均 形 成 明 显 的 孔 洞的添加使样品孔洞形状更为规整，呈大小相近的球形结构；和木炭粉所造孔洞大多不规则，大小差异较大 原因是 和木炭粉的造孔原理均为在高温下烧失，形成气体逸出，从而使原来的轮廓成为中空的孔洞；而 的造孔过程中除了气体逸出形成孔隙外，分解产物 也成为支撑体结构中的一部分；且 粉末为规整圆球状，木炭粉则为不规则颗粒，故造成孔洞形状差异，而 未完全烧失，故其对应样品的孔洞形状与 原本的颗粒形状无关图中（）、（），（）、（），（）、（）对比可看出，种造孔剂添加量为 的样品截面孔洞明显多于其的样品，且添加量过大时，明显有造孔剂颗粒的团聚粘连现象，导致孔洞结构更大、大小更不均匀，宏观上对支撑体的机械强度有负面影响图不同造孔剂支撑体的 图 物质组成图为种 造孔 剂 不 同 添 加 量 下 支 撑 体 的 图 由图（）可看出，添加样品的物相组成并未随添加量的不同发生明显变化 这是由于为有机高分子聚合物，高温条件下会分解为 和，不与原料中的其他物质发生反应，故其添 加 量 并 未 显 著 影 响 物 相 组 成由 图（）可 看出，随 添加量的增加，钙长石的峰强度有明显提升，而石英和钠长石的峰强度则相对减小 膜科学与技术第 卷图不同造孔剂支撑体的 谱图 这是由于在高温条件下，与 反应生成高硬度、常以 粉末态 存在 的 ，其进一 步 与 反应生成钙长石；同时，高温分解产物 与 和 反应生成钙长石 ，故 添加越多，烧结分解出的 也越多，从而促进钙长石的生成，其峰强度随之增强；此外石英被消耗使得其峰强度减弱，而钙长石与钠长石在高温下可任意比例互溶，故若钙长石越多，熔融后互溶以及被包裹的钠长石也更多，造成钠长石暴露度降低，其峰强度随之降低 由图（）可看出，不同木炭粉添加量下，除 时钠长石峰强度较弱，其余条件下物相组成无明显变化，而木炭粉在高温烧结后以 气体的形式逸出成孔，并未与原料发生反应 添加量为 的样品中，钠长石峰强度的略微差别和该样品的原料球磨预处理与其他样品非同批次有关，粉煤灰为混合物，每部分的原料之间本身存在着细微的成分含量差别，该差别对造孔后支撑体的孔隙率不造成影响图不同造孔剂对支撑体酸碱腐蚀率的影响趋势 酸碱腐蚀率图为不同造孔剂对酸碱腐蚀率的影响趋势图由图可以看出，随着造孔剂添加量增加，样品酸、碱腐蚀率总体上均呈波动上升态势，且趋势较平缓，但碱腐蚀率在添加量为 时有一个较明显的下降，由 降至，分析原因：应为实验误差导致添加量越大，样品内部孔结构越多，但结合 及孔隙率分析可知，孔隙率虽有提升但幅度并不大，故受其影响，溶液与支撑体内部的接触面积提升较小，使酸、碱腐蚀率变化趋势较为平缓随着 添加量添加至，样 品 的 酸 腐 蚀 率 从 明 显 增 大 至，碱腐蚀率从 显著减小至 这是由于 添加至过量时，高温下分解的剩余 会留 存 在 支 撑 体 中，虽 有 一 部 分 与 原 料 中 等成分反应生成钙长石，然而 等含量有限，添加越多，高温分解出的 也越多，于水中可形成 （），呈碱性，故耐碱腐蚀能力第期李苗雨等：添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响 显著增强，而耐酸腐蚀能力显著减弱 木炭粉的添加使得孔隙率也逐渐增大，支撑体的比表面积增大，与溶液的接触面积增加，而原料中富含的碱金属化合物耐碱能力强，耐酸能力略差，故随着与溶液接触面积的增大，碱腐蚀率没有明显的变化，维持在左右，而酸腐蚀率有所增加，从 增至 孔径分布对比发现：添加木炭粉的样品的综合性能优于添加其余种造孔剂的样品，故对添加木炭粉样品作详细孔径分析 抗折强度增益方面：木炭粉 ，木炭粉样品强度居中但满足支撑体机械强度基本要求；结合 图可知，添加木炭粉的样品有着清晰、相对均匀的孔隙，且其酸、碱腐蚀率随添加量的变化较为稳定，耐腐蚀力强最终确定添加量为 木炭粉为造孔剂的支撑体样品综合性能最佳图为添加 木炭粉的样品孔径分布图可以看出，其孔径分布有个主峰，峰宽较窄，说明孔径分布较为均匀，中值孔径为，平均孔径为，孔隙率为 图为木炭粉的粒径分布图，可以看出中值粒径为，此处木炭粉中值粒径大于样品中值孔径的原因在于：除木炭粉本身含有的灰分与杂质外，因其吸附特性，木炭粉颗粒也会吸附环境中的灰尘等漂浮物，因此支撑体内部木炭粉颗粒烧失后仍留下了固体残留物占据孔隙空间，使得木炭粉颗粒烧结后留下的孔径比颗粒本身粒径更小图添加 木炭粉的支撑体孔径分布图 烧结助剂对支撑体性能的影响分别选取 、硼砂作为烧结助剂，设添加量为、，分析种烧结助剂添加量变图木炭粉粒径分布图 化对支撑体综合性能的影响物理性能实验发现，添加硼砂的泥料在室温下硬化，失去可塑性，无法挤出成型，加热后的泥料可在未冷却前进行滚压成形；在烧结温度为 条件下烧制后，其表面出现釉化现象，无法透水，但内部的原料颗粒烧结反应不充分，抗折强度较低 因硼砂在炼泥过程中极难与其他原料混合均匀，且其熔点较低，较低的温度下即可形成液相，使得在支撑体内部颗粒颈部连接未完全形成之前其表面已形成了质密的釉化层，导致支撑体抗折强度和透水率极低，无继续探究的意义图为 、为烧结助剂对纯水通量及抗折强度的影响趋势图 由图可知，对于添加 的样品，添加量从，水通量先略微升高至 （）而后缓慢降低，抗折强度明显增强，增长区间为 ，且加入越多增强越明显 这是由于在添加少量 时，烧结过程伴有单斜辉石的生成，从而产生少许晶粒析出形成孔隙，纯水通量也因此增大；随添加量的增加，生成的单斜辉石越多，支撑体逐渐致密化，从而使水通量有所降低，抗折强度明显提高 对于添加 的样品，添加量为 时，随 的不断加入，纯水通量由 （）急剧增大至 （），抗折强度从 剧 减 至 ，而 后 缓 慢 减 小 到 这是因为添加了 的样品在烧结过程中会与原料中、等物质结合，形成性质稳定且硬度较高的钙长石，重新填补支撑体内部原有贯通孔隙，使水通量下降明显；然而原料中的 膜科学与技术第 卷 含量 过 少，钙 长 石 无 法 大 量 形 成，反 而 使 剩余，的温度下，无法与粉煤灰原料中的剩余物质反应结合，从而使其在支撑体内部均匀分布，造成抗折强度的急剧降低图不同烧结助剂对支撑体纯水通量和抗折强度的影响 图 不同烧结助剂支撑体的 图 微观形貌图 为添加 和 的支撑体截面 图从图（）中可看出，添加 时，原料颗粒之间已有颈部连接形成，大颗粒表面有明显的熔融后重新凝固现象，部分大颗粒周围有小球形的晶相生成，并伴有不规则形晶相析出，图中可看到造孔剂烧失后留下的明显孔洞结构；从图（）中可看到，添加 的样品中有明显的熔融重凝固现象，孔洞结构略微减小，大多数小颗粒被熔融液相覆盖粘连成为一个整体，这也是抗折强度能够明显提升的主要原因；图（）中，添加了 的样品中，新晶相析出现象十分明显，从而形成了极多孔隙，在形成小孔的同时保留了造孔剂形成的较大孔洞，使得纯水通量骤升，但新晶相在颗粒表面析出，颗粒之间多为晶粒生长后形成的细小结构连结，导致支撑体内部疏松，抗折强度急剧下降；而图（）中的现象与图（）相似，添加 的样品中熔融现象明显，已形成较为紧实的颈部连接，机械强度有所提升图 不同烧结助剂支撑体的 图 物质组成图 为 和 不同添加量下样品的 图图（）中，随 添加量上升，石英和钠长石的峰强度变化不明显，但半峰宽减小，钙长石峰强度减小，单斜辉石峰强度明显增大这是由于在烧第期李苗雨等：添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响 结中 与钙长石反应，形成富 、及 的单斜辉石，该物质形成温度范围为 ，属于单斜晶系，硬度为 虽然钙长石的硬度为，但由于钙长石的含量小，故钙长石向该物质的转化对支撑体的机械强度影响甚微此外，还可进入 的晶格中，形成稳定的固溶物，该物质热膨胀系数较低，受热性能稳定，有助于防止烧结过程中的开裂现象图（）中，随 添加量上升，石英峰强度有所减小，钠长石峰强度无明显变化，钙长石峰强度明显增大，同时出现了海泡石石英的主要成分为 ，高温下易与 和 反应形成钙长石，故钙长石峰强度有所增大；反应中石英被消耗，故峰强度有 所 减 小；且 钠 长 石 熔 点 为 ，故 在 的烧结温度下并未形成熔融状态，几乎不参与新的反应，故其峰强度无明显变化 然而粉煤灰中 含量极高，的质量分数只有，且大部分在烧结中形成了钠长石，故最终钙长石的生成量有限，而 与 需在 以上时才能大量形成 ，故最终形成量小，对支撑体强度的增大无明显作用此外，石英主要成分 与粉煤灰原料中的 在 以上条件下反应得到 ，且可复合为斜顽辉石（），斜顽辉石在 以上温度即能与 反应形成海泡石 （）（）其具有较高的稳定性，故有助于提高支撑体的耐化学腐蚀性能 图 不同烧结助剂对支撑体酸碱腐蚀率的影响趋势 酸碱腐蚀率图 为烧结助剂对支撑体酸碱腐蚀率的影响趋势图 可以看出，当添加量为时，加入 的样品酸腐蚀率由 上升至，碱腐蚀率从 升至，相比于酸腐蚀率而言上升较平缓，添加量为 时，酸腐蚀率上升区间为 ，碱腐蚀率为 ，是由于多余的 使体系碱性增强，从而使酸腐蚀率增加明显，碱腐蚀率增长较缓慢添加 的样品，添加量为时，其酸腐蚀率由 增至，碱腐蚀率从 降至，添加量为 时，变 化 趋 势 越 明 显，酸 腐 蚀 率 增幅更大：从 升 至 ，碱 腐 蚀 率 减 幅更大，由 降 为 ；随 添 加 量 进 一 步增加，剩余 导致其在酸溶液中不耐受，严重影响其耐酸性能，且由于其本身呈碱性，故表现出较强的耐碱腐蚀性能孔径分布对比发现：添加硼砂将导致泥料硬化，且制得的样品的各项性能均较差，故不考虑选择其作为烧结助剂进行后续研究添加 的样品抗折强度有明显提升，但对纯水通量影响较小，耐酸、碱腐蚀的性能也较为稳定，综合分析添加 的样品综合性能最优 图 为添加 样品的孔径分布图 可以看出，其孔径分布有个极窄的峰，中值孔径为，平均孔径为，孔隙率为 该样品孔径分布均匀，孔隙率高图 添加 的支撑体孔径分布图 结论）造孔剂益于粉煤灰基陶瓷膜支撑体纯水通量的提升，对其抗折强度有负面影响 选用 木炭粉时，样品综合性能最佳，平均孔径为，孔隙率为 ，纯水通量达 （膜科学与技术第 卷），抗折强度为 ，耐酸、碱腐蚀率分别为 和）烧结助剂种类对粉煤灰基陶瓷膜支撑体综合性能影响极大 硼砂不适于作为烧结助剂；使支撑体纯水通量极大提高但降低了其抗折强度；利于提升支撑体抗折强度但对纯水通量有负影响选用 时，样品综合性能最佳，平均孔径为 ，孔 隙 率 为 ，纯 水 通 量 为 （），抗 折 强 度 为 ，其酸、碱腐蚀率分别为 和）添加烧结助剂有助于钙长石、单斜辉石等硬度大且稳定的物质形成；添加剂种类对样品的耐酸、碱腐蚀性能影响较大，对于物质本身及烧结后留存在支撑体中的生成物越接近中性、越稳定的添加剂，其添加量的变化对支撑体样品的耐酸、碱腐蚀性能影响越小参考文献：王福家现代城市水污染处理的一般途径分析资源节约与环保，（）：宋丽环境保护中水污染处理技术和再生利用山西化工，（）：朱加良，孙奥博，高志丰膜分离技术特点分析及应用电站系统工程，（）：，（）：，：赵冰，王军，田蒙奎 我国膜分离技术及产业发展现状现代化工，（）：，：，（）；龚之宝，孙伟振，李朋洲，等 无机膜分离技术及其研究进展 应用化工，（）：崔梦冰，刘清玲高分子膜材料在膜分离过程中的应用探析现代盐化工，（）：史丹，李鹏“双碳”目标下工业碳排放结构模拟与政策冲击改革，（）：刘仓，金亮，陈航超，等粉煤灰资源化提取研究进展 煤炭工程，（）：张祥成，孟永彪 浅析中国粉煤灰的综合利用现状无机盐工业，（）：，：黄吉光，梁德华，张政，等 泥料含水量对粉煤灰陶瓷膜支撑体性能的影响硅酸盐学报，（）：同帜，李岩，闫 笑，等造孔剂羧甲基纤维 素对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响及其覆膜研究 材料导报，（）：李波，郭磊，同帜，等 烧结制度对粉煤灰黄土基陶瓷膜支撑体性能的影响 陶瓷学报，（）：，：，：邢芩瑞，马远，李宇不同 源固废对钙长石全固废陶瓷矿相和性能的影响有色金属科学与工程，（）：，：同帜，李岩，闫笑，等 种不同造孔剂对黄土基陶瓷膜 支 撑 体 性 能 的 分 析 研 究 功 能 材 料，（）：李帅，张快，李运刚 钙长石材料的研究现状综述 中国陶瓷，（）：杨益 多种固废协同制备复相多孔陶瓷工艺及性能研究西南科技大学，冯杰，赵介南，凌可君 复合烧结助剂添加量对 复相陶瓷性能的影响粉末冶金技术，（）：，（）：，：第期李苗雨等：添加剂对粉煤灰基陶瓷膜支撑体性能的影响 ，（，；，）：，（），（），：；中国科大实现微孔框架离子膜内近似无摩擦的离子传导中国科学技术大学徐铜文杨正金教授团队与合作者针对离子膜普遍存在的“传导性选择性”相互制约关系，提出一类新型三嗪框架聚合物离子膜基于刚性通道的限域效应和通道内的“离子配位”机制，这类膜材料展示出了近无摩擦的离子传递，实现了水系有机液流电池快充，电池充放电电流密度达到 ，是当前普遍报道值的倍以上 年月 日，该成果以“三嗪框架聚合物膜内近无摩擦的离子传导（）”为题发表在国际学术期刊 上离子膜是水电解槽、燃料电池、氧化还原液流电池和离子捕获电渗析等相关过程的关键部件 离子在膜内的传递效率取决于离子跨膜的能垒，因此，在膜内构筑高效离子通道、降低离子跨膜传递能垒是开发高性能离子膜的关键以美国杜邦公司 膜为代表的“微相分离”离子膜具备尺寸宽的离子通道，能高效传导离子，但离子通道吸水后易溶胀，导致膜机械强度下降、选择性阻隔性降低，因而适用于对选择性阻隔性要求不高的应用 自具微孔离子膜通过半刚性高分子链无法有效堆叠而在膜内形成微孔通道，膜内微孔的尺寸筛分效应提高离子选择性、丰富的孔道提高小尺寸离子的传递效率；但膜内高分子链半刚性的特性可能导致自具微孔离子膜应用过程中的老化 因此，如何在膜内构筑全刚性限域微孔并调控离子与通道的相互作用，从而逼近离子传导速率的极限，是开发新一代离子膜的关键研究团队经过长期研究积累和大量实验探索，设计了一类新型的“微孔框架聚合物离子膜”，提出了刚性微孔通道内“离子配位”机制，实现膜内近似无摩擦的离子传导和水系有机液流电池的快充 关键创新成果包括：利用有机溶胶凝胶反应，一锅法制备了系列含疏水框架和亲水功能侧链的自支撑微孔框架离子膜，实现了膜吸水后保持疏水框架主体结构尺寸稳定，避免了离子膜吸水对微观上离子通道尺寸和膜宏观机械强度的不利影响，为离子传递提供了刚性微孔限域环境结果表明，该膜具备优异的抗老化和耐溶胀性能，膜的吸水溶胀率仅有，在较低的吸水率下能实现高效离子传递提出刚性微孔通道内“离子配位”机制该研究团队在微孔框架离子膜中引入荷电基团和多种可以和离子发生弱相互作用的功能基团，利用静电作用、离子偶极作用等相互协同，降低离子在膜内传递能垒固体核磁共振和 测试表明：在膜内的自扩散系数达到 ，接近水溶液中 扩散系数（）和无限稀释 扩散系数（）以微孔框架离子膜为隔膜组装的水系有机液流电池（蒽醌铁氰化钾体系），膜面电阻仅为 该电池具备优异的倍率性能，其充放电电流密度可高达 （当前文献报道均普遍 ），且在高电流密度下循环充放电中保持稳定该膜实现了水系有机液流电池快充，在不同电流密度下的电池的能量效率和容量利用率均显著高于文献报道值 研究者也拓展了该研究成果，实现了中性体系液流电池的快充论文匿名评审人评价：“这种阳离子膜在液流电池中展示出了非凡的性能，其对基于分子型活性物质的水系液流电池研究体系，具有重要的借鉴意义 毫无疑问，与迄今为止使用的最好的膜相比，此类阳离子膜的性能显著提高”“让人惊叹的是，在这种具备刚性限域离子通道的膜内，钠离子的扩散系数接近在水中的状态”记者 致信要求采访也谈及：“我们写过很多关于电池、电解槽和其他需要离子传输膜的设备的故事您们的新工作看起来可能会影响其中的许多研究领域，并可能影响许多技术因此，我有兴趣写一篇关于这篇研究工作的新闻报道”中国科学技术大学化学与材料科学学院博士后左培培、英国爱丁堡大学叶纯纯和中国科大本科毕业生焦中任为论文的共同第一作者该研究工作获得了国家重点研发项目、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目资助论文链接：摘自中国科学技术大学网站