一种高性能盐湖提锂纳滤膜的制备及研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1113

摘要/Abstract

摘要：

采用界面聚合+涂层法制备了高性能盐湖提锂纳滤膜。以哌嗪（PIP）与十聚甘油混合水溶液为水相，1，3，5-苯三甲酰氯（TMC）的异构烷烃Isopar G溶液为油相，通过优化水相中十聚甘油添加量经界面聚合获得表面荷负电的疏松分离层，之后通过调整涂覆液中荷正电高聚物壳聚糖季铵盐的添加量在疏松分离层上附着性能优异的荷正电涂层，得到高性能盐湖提锂复合纳滤膜。采用Zeta电位仪、扫描电子显微镜（SEM）表征膜表面荷电性及膜表面形貌。之后考察了该复合膜对模拟卤水的提锂性能，结果表明，当水相中十聚甘油的质量分数为0.3%，涂层中壳聚糖季铵盐的质量分数为0.5%时，所制备的复合纳滤膜在操作压力2.0 MPa下，对镁锂质量比为60∶1的模拟卤水中镁锂分离因子达0.028，产水通量达20 L/（m²·d）。

关键词: 十聚甘油, 纳滤膜, 壳聚糖季铵盐, 涂层, 镁锂比

Abstract:

The interface polymerization and coating method were used to prepare high-performance salt lake lithium extraction nanofiltration membranes. A mixed aqueous solution of piperazine（PIP） and polyglycerin-10 as the aqueous phase and isoalkane（Isopar G） solution of 1，3，5-benzenetriacylchloride（TMC） as the oil phase，a loose separation layer with negative surface charge was obtained by optimizing the amount of polyglycerin-10 added in the aqueous phase. The positively charged coating with excellent performance was prepared by adjusting the addition amount of positively charged polymer chitosan quaternary ammonium salt to obtain a composite nanofiltration membrane for lithium extraction from salt lake. Zeta potentiometer and scanning electron microscope（SEM） were used to characterize the surface charge and morphology of the membrane. The lithium extraction performance of the composite membrane for simulated brine was researched. The results showed that，when the mass fraction of polyglycerin-10 in the aqueous phase was 0.3% and the mass fraction of coating polymer chitosan quaternary ammonium salt was 0.5%，the prepared composite nanofiltration membrane achieved a magnesium/lithium separation factor of 0.028 and a water yield of 20 L/（m²·d） in a simulated brine with a magnesium/lithium mass ratio of 60∶1 under an operating pressure of 2.0 MPa.

Key words: polyglycerin-10, nanofiltration membrane, chitosan quaternary ammonium salt, coating, magnesium/lithium ratio

中图分类号:

孙佳楠, 陈可可, 薛立波, 徐子丹, 王汝. 一种高性能盐湖提锂纳滤膜的制备及研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(11): 120-125.

Jia’nan SUN, Keke CHEN, Libo XUE, Zidan XU, Ru WANG. Preparation and research of a high performance nanofiltration membrane for lithium extraction from salt lake[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(11): 120-125.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I11/120

图/表 8

图1 盐湖提锂纳滤膜结构示意

Fig. 1 Structural schematic diagram of nanofiltration membrane for lithium extraction from salt lake

表1 水相十聚甘油添加量对疏松纳滤膜分离层正反面Zeta电位的影响

Table 1 Effects of the addition amount of polyglycerin-10 in aqueous phase on the Zeta potentials of positive and negative sides of the separation layer of loose nanofiltration membrane

质量分数/%	正面Zeta电位/mV	反面Zeta电位/mV
0	-45	-25
0.1	-48	-32
0.3	-56	-51
0.5	-62	-58
0.7	-42	-21
0.9	-35	-23

图2 水相十聚甘油添加量对疏松纳滤膜产水通量及盐截留率的影响

Fig. 2 Effects of the addition amount of polyglycerin-10 in aqueous phase on water flux and salt retention rate of loose nanofiltration membrane

图3 含不同质量分数十聚甘油的水相所制备的纳虑膜的SEM

Fig.3 SEM of nanofiltration membranes prepared from aqueous phase containing different mass fractions of polyglycerin-10

图4 涂层中壳聚糖季铵盐质量分数对膜表面Zeta电位的影响

Fig. 4 Effect of chitosan quaternary ammonium salt mass fraction in coatings on Zeta potential of membrane surface

图5 涂层中壳聚糖季铵盐质量分数对复合膜产水通量的影响

Fig. 5 Effect of chitosan quaternary ammonium salt mass fraction in coatings on water flux of composite membrane

图6 涂层中壳聚糖季胺盐质量分数为0.5%的复合膜的SEM

Fig.6 SEM of composite membrane with a mass fraction of 0.5% chitosan quaternary ammonium salt in the layer

表2 提锂纳滤膜对不同镁锂比卤水的提锂性能

Table 2 Lithium extraction performance of nanofiltration membrane for lithium extraction for brine with different magnesium/lithium ratio

操作压力/MPa		Mg²⁺/（mg·L^-1）	Li⁺/（mg·L^-1）	镁锂比	分离因子	产水通量/（L·m^-2·h^-1）
1.0	进水	198	201	1∶1	0.013	123
1.0	产水	2	152	1∶76	0.013	123
1.0	进水	1 998	196	10∶1	0.018	78
1.0	产水	33	185	1∶5.6	0.018	78
2.0	进水	6 003	198	30∶1	0.033	46
2.0	产水	240	240	1∶1	0.033	46
2.0	进水	12 010	201	60∶1	0.028	20
2.0	产水	500	302	1.67∶1	0.028	20

参考文献 12

1	TAPIA-RUIZ N， SEGALÉS M， GREGORY D H. The chemistry of ternary and higher lithium nitrides［J］. Coordination Chemistry Reviews，2013，257（13/14）：1978-2014. doi:10.1016/j.ccr.2012.11.008
2	WANG L W， JIANG L， GAO J，et al. Analysis of resorption working pairs for air conditioners of electric vehicles［J］. Applied Energy，2017，207：594-603. doi:10.1016/j.apenergy.2017.06.077
3	李神勇，康莲薇，刘建军，等. 锂资源分布及提取技术研究［J］. 广东化工，2016，43（24）：81-82. doi:10.3969/j.issn.1007-1865.2016.24.038
	LI Shenyong， KANG Lianwei， LIU Jianjun，et al. Research on distribution and extraction technology of lithium resources［J］. Guangdong Chemical Industry，2016，43（24）：81-82. doi:10.3969/j.issn.1007-1865.2016.24.038
4	KESLER S E， GRUBER P W， MEDINA P A，et al. Global lithium resources：Relative importance of pegmatite，brine and other deposits［J］. Ore Geology Reviews，2012，48：55-69. doi:10.1016/j.oregeorev.2012.05.006
5	李康，王建平. 中国锂资源开发利用现状及对策建议［J］. 资源与产业，2016，18（1）：82-86. doi:10.13776/j.cnki.resourcesindustries.20151230.008
	LI Kang， WANG Jianping. China’s lithium resource development actuality and approaches［J］. Resources & Industries，2016，18（1）：82-86. doi:10.13776/j.cnki.resourcesindustries.20151230.008
6	XU Shanshan， SONG Jianfeng， BI Qiuyan，et al. Extraction of lithium from Chinese salt-lake brines by membranes：Design and practice［J］. Journal of Membrane Science，2021，635：119441. doi:10.1016/j.memsci.2021.119441
7	YANG Yin， LI Xiong， SHEN Lingdi，et al. A durable thin-film nanofibrous composite nanofiltration membrane prepared by interfacial polymerization on a double-layer nanofibrous scaffold［J］. RSC Advances，2017，7（29）：18001-18013. doi:10.1039/c7ra00621g
8	SOYEKWO F， WEN Hui， LIAO Dan，et al. Fouling-resistant ionic graft-polyamide nanofiltration membrane with improved permeance for lithium separation from MgCl₂/LiCl mixtures［J］. Journal of Membrane Science，2022，659：120773. doi:10.1016/j.memsci.2022.120773
9	GU Tianrun， ZHANG Runnan， ZHANG Shiyu，et al. Quaternary ammonium engineered polyamide membrane with high positive charge density for efficient Li⁺/Mg²⁺ separation［J］. Journal of Membrane Science，2022，659：120802. doi:10.1016/j.memsci.2022.120802
10	YUAN Bingbing， ZHAO Siheng， XU Shaojie，et al. Aliphatic polyamide nanofilm with ordered nanostripe，synergistic pore size and charge density for the enhancement of cation sieving［J］. Journal of Membrane Science，2022，660：120839. doi:10.1016/j.memsci.2022.120839
11	CHEN Kuo， ZHAO Shengchao， LAN Hongling，et al. Dual-electric layer nanofiltration membranes based on polyphenol/PEI interlayer for highly efficient Mg²⁺/Li⁺ separation［J］. Journal of Membrane Science，2022，660：120860. doi:10.1016/j.memsci.2022.120860
12	WEN Xianmin， MA Peihua， ZHU Chaoliang，et al. Preliminary study on recovering lithium chloride from lithium-containing waters by nanofiltration［J］. Separation and Purification Technology，2006，49（3）：230-236. doi:10.1016/j.seppur.2005.10.004

[1]	尹萌萌, 王禹翰, 张坤, 王冠, 徐维国, 王波. 基于两性离子的纳滤膜抗污染改性方法研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 37-44.
[2]	张瑞君, 安张鑫, 宗悦, 高珊珊, 田家宇. 中空纤维纳滤膜在染料分离应用中的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 1-12.
[3]	曹圣泉, 王传荟, 张兵. 焦亚硫酸钠处理电工钢含铬涂层废液的工艺研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(8): 155-158.
[4]	韩家凯, 嵇华忠, 刘大朋, 洪耀良. 原位修饰DAT提升哌嗪基聚酰胺纳滤膜耐氯性能研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(6): 67-73.
[5]	张皓阳, 李明, 王军. PA/PET/PDA/PVDF复合纳滤膜制备及其处理染料废水的研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(10): 150-156.
[6]	李士伟, 刘恩华, 杨利娟, 胡苏皓. 高盐与高压对PVDF/PA管式复合膜分离性能的影响[J]. 工业水处理, 2022, 42(8): 128-135.
[7]	樊华, 王一雯, 姜钦亮, 范敏, 桂双林, 韩飞. 高性能疏松纳滤膜的制备研究进展[J]. 工业水处理, 2022, 42(5): 1-10.
[8]	杜林,秦秋毫,何健,洪耀良. 磺化TA/CS复合纳滤膜的制备及性能研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(9): 123-128.
[9]	陈才,刘晓艳,陆谢娟,王一楠,吴晓晖. 壳聚糖季铵盐在混凝-微滤工艺中的应用研究[J]. 工业水处理, 2020, 40(1): 52-55.
[10]	赛世杰. 纳滤膜在高盐废水零排放领域的分盐性能研究[J]. 工业水处理, 2017, 37(9): 75-78.
[11]	王伟, 陈中海, 潘巧明, 谭惠芬. 纳滤和反渗透膜形貌结构与膜性能关系探索[J]. 工业水处理, 2016, 36(7): 39-42.
[12]	黄万抚, 李英杰, 李新冬, 梁娟, 陈洋, 刘玉娇. 纳滤技术在矿冶领域的应用研究进展[J]. 工业水处理, 2016, 36(11): 1-4.
[13]	宋卫锋, 汪卫, 唐铁柱, 倪俊, 武纯, 林丽婷. 纳滤膜处理含镍电镀废水的中试研究[J]. 工业水处理, 2014, 34(12): 34-37.
[14]	李艳红, 王三反, 周键. 钛基体涂层电极在处理有机废水中的应用[J]. 工业水处理, 2014, 34(11): 1-4.
[15]	张聪璐, 胡筱敏, 祝雷, 王芳. 离子液体中制备壳聚糖季铵盐及其絮凝效果研究[J]. 工业水处理, 2013, 33(8): 63-65,79.

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