超声波作用下电解液复杂溶液在荷电膜中的传递现象研究

荷电膜在透水、抗污染及选择透过性等方面具有中性膜所不具备的优势，已成为膜分离技术的一个崭新的发展方向。本项目针对电解质复杂溶液的荷电膜传递现象，研究超声波作用下荷电膜的传递行为，探索超声波对电解质复杂溶液的荷电膜传递行为的作用机理。采用现代先进的测试方法来检测纳米孔径的伸缩变化和微流的扰动现象；应用荧光探针研究超声和动电驱动作用下的膜渗透特性；结合FTIR/ATR二维相关光谱分析方法探索微界面离子选择性和扩散迁移规律；通过采集多参数的时间序列数据来进行系统非线性动力学分析和状态特征判断。获得超声波作用下膜与流体相界面的涡流特征，判定膜与流体微界面上粒子的沉积和迁移条件；测定在超声波作用下的荷电膜传递系数以及电性质参数；建立超声场中电解质复杂溶液的荷电膜传递理论模型，以指导新一代高性能荷电膜的开发和应用。

本项目围绕超声波作用对电解质溶液在荷电膜内传质过程中的关键科学问题，开展了深入系统的实验和理论分析研究。针对不同电解质溶液在荷电膜内的错流过滤，明确了超声波作用对膜通量、表观截留率、跨膜电位等性能参数的影响规律。结果表明，超声波作用可使荷电膜通量增大，表观截留率下降，跨膜电位升高，变化趋势与电解液种类无关；超声作用对膜孔内传质的影响可能是由于超声波作用使膜平均孔径增大，进而引起膜通量增大，截留率下降；同时膜通量增加使膜孔内传质速率加快，引起膜吸附层上离子迁移速度加快，导致跨膜电位升高。.借助非平衡热力学模型和空间位阻模型等理论模型，结合多种测试手段，研究了超声波作用下电解质溶液在荷电膜中强化传质的微观机理。结果表明, 超声波作用可以引起料液温度增高进而影响荷电膜表面活性层的平均孔隙半径增大。借助标定溶液，通过理论计算和实验数据，得到膜表面活性层的平均孔隙半径从0.33nm增加到0.35 nm。这是因为荷电膜表面活性层材质的热胀冷缩特性引起的, 直接导致膜孔隙结构改变的原因是料液温度的上升引起膜活性层温度的上升。通过对比新膜与经超声波作用照射后膜的AFM图像，表明超声作用对膜表面活性层微观结构的改变是可逆的。.探索了高低频超声波对电解液的纳滤过程的影响机理，考查了微界面离子选择性和扩散迁移规律。结果表明，高频超声波作用下，电解液的膜通量有不同程度的提高，表观截留率呈现下降趋势。这一变化效果不受电解液种类和pH的影响，而受制于电解质溶液粘度变化以及溶液中离子价态比例，2价态离子对超声波作用的敏感性低于1价态的离子。通过分析，明确了超声波作用下不同种类电解质溶液在纳滤过程中通量和截留率存在变化幅度差异的主要原因。.研究了超声波作用对复杂电解液产生的声化学效应及其对产物的影响规律，结果表明，超声波作用下复杂电解液中腐植酸的磺化度得到了明显提高，超声功率越大，磺化效果越明显，但当超声功率增大到一定程度后腐植酸的磺化度变化就不再明显增加，而增加超声作用时间则有助于腐植酸的磺化度提高；采用正交试验方法，优化了超声波作用下的声化工艺参数。.开展了纳米氧化钛成膜规律及其与石墨烯复合的荷电膜制备研究，利用复合溶胶通过喷涂的方式在室温下制备了平整连续、具有良好光催化效果的透明超薄复合荷电薄膜。该荷电膜在太阳能电池、防雾、自清洁、抗菌等方面将有着广泛的应用前景。