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张守海教授专注高性能高分子分离膜材料及其应用研究
大连理工大学校友工作处 蔡琳 / 时间:2018-10-22 09:31:11

  据大工校友双创联盟微信公众平台2018年10月18日讯 随着能源和水资源的不断短缺,以及环境保护需求的不断加强,人类对解决相关问题的高新技术越来越重视,其中的膜分离技术、质子交换膜燃料电池技术和液流电池储能技术等得到人们的更多关注。
  功能膜是分离膜组件、质子交换膜燃料电池和液流电池的关键核心部件之一,其性能又取决于膜材料的性能。近年来我国膜和膜材料得到较快速的发展,但现有功能膜又各有其长处和不足,开发新的高分子膜材料以制备性能优良的功能膜,对满足各个工业领域对功能膜日益增长的需求非常有必要。
  大连理工大学化工学院张守海教授师从中国工程院院士蹇锡高教授,多年来专注高分子材料研究领域,目前主要从事高性能高分子材料及其功能膜研究,工作聚焦于杂环聚芳醚的设计合成以及高性能高效分离膜的制备。
  杂萘联苯聚芳醚是一类由杂萘联苯类双酚单体及其衍生物合成的高性能高分子材料,具有优良的耐化学稳定性和耐热性,又可溶解,加工方式多样,经多年发展,杂萘联苯聚芳醚膜材料的应用范围已经扩展到气体分离膜、超滤膜、纳滤膜、低压反渗透膜、燃料电池和液流电池用离子交换膜等功能膜领域。
  据张守海教授先容,膜材料是膜分离技术的核心,虽然我国膜材料得到了快速发展,但是高端膜材料仍依赖进口,严重制约我国膜科学与膜应用技术的发展,因此研究开发新型高性能膜材料具有非常重要的意义。所以本研究团队主要针对目前高分子分离膜存在的耐热性、选择性或稳定性欠佳等问题,根据水处理用分离膜和全钒液流电池用离子交换膜等对膜材料的不同要求,设计合成新型膜材料,研究开发新型高效分离膜。杂萘联苯聚芳醚膜材料及功能膜的研究虽然目前不少还处于实验室研究阶段,但是具有非常好的应用前景。针对不同的应用领域,设计合成新型杂萘联苯聚芳醚膜材料,并加快杂萘联苯聚芳醚功能膜的规模化生产及应用研究,将是今后研究工作的重点,也必将为环境、能源等问题的解决做出贡献。
  一、杂萘联苯聚芳醚分离膜及其应用
  膜分离技术已经广泛地应用于废水处理、环保、化工、石油等多个工业领域。目前大多数商用超滤膜的最高使用温度不超过80℃、而商用纳滤膜和反渗透膜的最高使用温度一般低于50℃,无法满足处理高温工业废水的需要,而采用耐高温膜则不必降温,高温下运行,效率更高,节能降耗,可进一步拓宽膜分离技术的应用,所以开发耐高温分离膜具有重要的理论意义和实际应用价值。
  针对这一需求,以杂萘联苯共聚醚砜为膜材料,制备了耐高温杂萘联苯共聚醚砜中空纤维超滤膜,当操作温度从20℃升高到95℃,PPBES中空纤维超滤膜的水通量增加到原来的2.7倍,而截留率变化不大。在90℃下连续测试30h,超滤膜的水通量和截留率基本不变,表现出优良的耐热性。以杂萘联苯共聚醚砜或杂萘联苯聚芳醚腈超滤膜为基膜,采用界面聚合方法制备聚酰胺型复合膜,复合膜对氯化钠的脱盐率可达到99%,当操作温度由20℃逐渐升高到95℃,其脱盐率基本保持不变,而水通量增加三倍以上,表现出优异的耐热性。
  针对聚酰胺型复合膜耐氧化性能欠佳的问题,以耐高温杂萘联苯聚芳醚超滤膜为基膜、化学稳定性优良的磺化杂萘联苯共聚芳醚砜为涂层材料,采用浸涂法制备了耐高温、耐氧化复合纳滤膜。当操作温度从20℃升到95℃,膜通量增加约3倍,而脱盐率下降幅度在2%范围内,复合膜表现出良好的分离性能和耐热性能。新型复合纳滤膜的分离性能与海德能企业的HYDRACoRE系列纳滤膜相当,且可在90℃下稳定运行,在300ppm次氯酸钠溶液中浸泡30天,复合膜性能基本不变,表现出非常好的耐高温、耐氯氧化性能。


张守海教授专注高性能高分子分离膜材料及其应用研究

PPBES的结构简式


  二、杂萘联苯聚芳醚离子交换膜及其应用
  杂萘联苯聚芳醚具有优良的综合性能,引入离子交换基团之后,这种材料可用于制备性能优良的燃料电池或液流电池用离子交换膜。
  全钒氧化还原液流电池(简称钒电池)是一种新型高效电能储存装置,具有能量转化率高,使用寿命长,可大批量生产等优点,在与风能、太阳能等清洁能源配套的大规模储能方面具有非常好的应用前景。
  离子交换膜是其核心部件之一,主要起到阻止钒离子渗透和导通氢离子的作用。目前所用的全氟磺酸离子交换膜具有钒离子渗透严重、价格昂贵等不足,无法满足钒电池商业化推广的需要。
  针对这一问题,根据钒电池电解质溶液由不同价态钒正离子组成的特点,课题组提出利用阴离子交换膜固定电荷的Donnan排斥效应来阻止钒离子渗透的思路,以氯甲基化杂萘联苯聚芳醚为膜材料,经季铵化改性,创制了系列季铵化杂萘联苯聚芳醚阴离子交换膜(QAPPES、QAPPEK、QAPPEKK等),随着季铵基含量增加,阴离子交换膜的面电阻和钒离子传递系数均降低,表现出更高的离子传导性和更低的钒离子渗透性,实现了离子传导性和阻钒性能的同时提高。


张守海教授专注高性能高分子分离膜材料及其应用研究

季铵化杂萘联苯聚芳醚的结构简式


张守海教授专注高性能高分子分离膜材料及其应用研究


  以含溴甲基杂萘联苯聚芳醚为膜材料,采用溶液法制备基膜后经过胺化反应,研制了新型季铵化杂萘联苯聚芳醚阴离子交换膜(QBPPEK等),应用于钒电池,表现出了非常好的选择性,并且充放电运行100个循环,性能变化不大,表现出了非常好的稳定性。将含溴甲基杂萘联苯聚醚酮与磺化杂萘联苯聚醚酮通过溶液共混制备了共混基膜,再经胺化、酸化反应制备了既含有季铵基又含有磺酸基的两性离子交换膜,其水迁移量仅为Nafion115膜的1/25,而钒电池的能量效率达到90%,表现出非常好的综合性能,将成为钒电池用离子交换膜的发展方向。


张守海教授专注高性能高分子分离膜材料及其应用研究


  张守海教授概况
  教授,博导。2003年大连理工大学材料学博士毕业,留校工作至今。现任大连理工大学高分子材料实验室主任,主要从事高性能高分子材料设计合成、及其功能膜的研究。
  作为负责人目前承担“十三五”国家重点研发计划项目一项、国家自然科学基金项目两项,已承担完成国家自然科学基金项目三项及其它纵向项目5项;获得包括2011年国家技术发明二等奖(第三完成人)和2003年国家技术发明二等奖(第三完成人)在内的省部级以上科技奖励7项。

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