纳米粒子/氧化石墨烯改性复合膜制备及其分离性能研究

采用真空抽滤-压力喷涂的方法,以聚酰胺纳滤膜为基膜,制备了氧化石墨烯和二氧化钛纳米粒子质量比为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的复合膜GOT1、GOT2、GOT3和GOT4以及氧化石墨烯和二氧化硅纳米粒子质量比为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的复合膜GOS1、GOS2、GOS3和GOS4。通过SEM、EDS、XPS和GIWAXS方法对GOT复合膜和GOS复合膜进行了分析表征,结果表明,氧化石墨烯和纳米粒子均匀负载在聚酰胺纳滤膜表面。研究了复合膜的性能,并推测了复合膜的净水机理。其中GOT复合膜在0.75 MPa下水通量可达50 L·m^(-2)·h^(-1),相较于原始基膜提高了25%,显示出了最佳的水通量性能,并且在保持较高通量的同时,对盐溶液和重金属离子的截留率仍能维持在90%左右。真空抽滤-压力喷涂的方法为氧化石墨烯复合膜的制备提供一种新的工艺思路,为废水处理提供了一种更高净化效率的复合膜。

抗生素生产中含盐废水的资源化利用技术研究

抗生素生产过程中会产生大量以氯化钠和氯化钾为主的含盐废水,若直接排放,不仅会对环境产生污染或影响,还会造成资源的浪费。本研究以抗生素生产中含盐废水为处理对象,面向资源化利用,设计采用“机械式蒸汽再压缩技术(Mechanical vapor recompression,MVR)+冷却结晶”工艺,分离获取其中的氯化钠和氯化钾,重点考察不同温度下的分离效果及经济能耗。研究表明,在母液循环操作模式下,常压蒸发温度为90℃、蒸水量为(85.00±0.50)%、结晶温度为25℃时,氯化钠收率可达85.00%以上,氯化钠和氯化钾纯度可达国家标准中工业级产品要求。

离子交换法海水提钾工艺研究

海水中钾资源丰富,离子交换法海水富钾技术可将其进行高效的提取,对改善我国陆地钾矿资源不足的现状具有重要意义。文中对固定床海水提钾工艺进行了系统的研究,考察了原料中钾质量浓度、洗脱剂类型及质量浓度等条件对富钾效果的影响,结果表明:不同钾离子质量浓度条件下的都可实现钾的高效富集,钾提取率达50%;3种钠型洗脱剂中,硝酸钠洗脱效果最好,富钾液中钾离子峰值可达17 g/L;铵型洗脱剂效果明显优于钠型洗脱剂,富钾液中钾离子质量浓度可达70 g/L,但需增加盐水对沸石的再生操作。

化学海洋学开放性实验教学改革与探索

针对目前化学海洋学实验教学中存在的问题,提出开放性实验教学的改革方案,旨在提高学生的综合素质。提出了化学海洋学开放性实验分为基础型实验的开放和设计型实验的开放,两部分相辅相成,并以分离提取海水中化学元素钾为例进行了设计型开放实验的设计,通过自己完成整个实验过程使学生的科研能力和创新工作能力都得到提高。

填充沸石的大型离子交换柱内流场模拟

针对沸石法海水富钾工程化放大中的关键问题,采用Fluent中多孔介质模型对填充沸石的大型离子交换柱内流场进行了模拟研究。主要考察了沸石的孔隙率和颗粒直径、海水进口速度、沸石柱长径比以及柱内形成的沸石层凹坑等条件对离子交换柱内流体流动的影响,结果发现:孔隙率和颗粒直径直接关系到沸石层内流体的速度分布,海水进口速度、沸石柱长径比等条件对沸石层内的流体流动并无显著影响;而在孔隙率和颗粒直径确定的条件下,由于海水冲击形成的凹坑对沸石层内流体影响较大,会在凹坑两侧形成滞留区,进而影响沸石对海水中钾的吸附。根据模拟结果优化了填充材料、设备结构以及工艺等参数,为沸石法海水富钾关键装备进一步扩大规模提供了理论支撑。

过硫酸盐高级氧化降解水体中有机污染物研究进展

基于硫酸根自由基(sulfate radical,SO_4^-·)氧化原理的活化过硫酸盐(persulfate,PS)氧化法是近年来高级氧化工艺(advanced oxidation process,AOP)的研究热点,以经济、高效、环境友好、安全稳定的优势在水处理、环境保护等领域开辟了新的思路。此前,学者们发现过硫酸盐高级氧化根据活化反应条件(如温度、光照、pH、过渡金属及催化剂等)的不同,会产生不同的自由基参与氧化反应,对降解结果也会产生不同程度的影响。本文根据相关自由基氧化机理,从产生硫酸根自由基的单一氧化、复杂活化体系硫酸根自由基与其他自由基复合氧化以及强化降解等方面,分析了近几年国内外学者对过硫酸盐降解典型有机污染物的研究及在催化剂开发方面所做的工作,指出了许多新颖的过硫酸盐活化手段及其降解效果与不足,并就未来的发展进行了展望,以期为过硫酸盐氧化法未来更好地发展和应用探索出路。

天然斜发沸石的改性及其对海水中K^+吸附交换容量的研究

为提高天然斜发沸石对海水中K+的吸附交换容量,对天然沸石进行了电炉、微波和超声波加热物理改性以及微波化学改性研究。重点考察了不同微波功率和处理时间时盐改性以及不同微波化学改性条件下所得沸石对海水中K+的吸附交换容量,同时对不同改性沸石的晶体结构进行了XRD表征。结果表明,天然斜发沸石经微波盐改性后对海水中K+的吸附交换容量有所提高,并随微波处理功率的增加和时间的延长而增大;经微波化学改性后吸附交换容量显著提高,可达0.71mmol/g;各种改性方式未对沸石的结构构成破坏,所得改性沸石的晶体结构基本相似。

氯化铵转化新工艺的机理及条件探究

针对目前纯碱产业氯化铵产能过剩的问题,提出一种氯化铵转化新思路。即以固体氯化铵和碳酸镁为原料,采用固相加热反应生成氯化镁、氨气、二氧化碳和水,其中氨气和二氧化碳可回收用于纯碱的生产。从热力学角度分析了固体氯化铵和碳酸镁的反应机理,探讨了反应温度、反应时间和配料比对氯化铵转化率的影响,进行了正交实验并确定了最优反应工艺条件,对反应产物进行了X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)表征。最佳反应条件:碳酸镁与氯化铵物质的量比为1.8∶2.0,反应温度为523 K,反应时间为120 min。在该反应条件下氯化铵转化率可达94.40%,氯化镁纯度可达工业标准。

GO/LiMn_(2)O_(4)膜电极构建及其提锂性能研究

实现盐湖卤水、地热水、海水等溶存态锂资源的高效提取对于满足强劲的锂产品市场需求至关重要。电化学吸附是一种低成本、环境友好的提锂技术,极具发展前景。本工作基于LiMn_(2)O_(4)材料,通过分别掺入常规氧化石墨烯(CGO)、低缺陷氧化石墨烯(LDGO)和大片径氧化石墨烯(LGO),制备CGO-LiMn_(2)O_(4)、LDGO-LiMn_(2)O_(4)和LGO-LiMn_(2)O_(4)膜电极,并对其提锂性能进行考察。结果表明,不同氧化石墨烯(GO)的掺入均有利于提升膜电极的提锂容量、提锂速率及对Li^(+)的选择性;掺入LGO的膜电极表现出最优的提锂性能,提锂容量达到35.29 mg/g,提锂速率达1.044 mg/(g·min),镁锂分离系数高达588.30。结合分析与表征认为,GO由于具有较大的比表面,可为膜电极表面提供更多的“有效锂离子”,使得提锂容量有效提升;同时,阳离子嵌入GO片层后固定层间距,进而阻挡大半径离子进入,使得其对Li^(+)的选择性提高;因LGO具有更大的片径和更高的石墨化度,使得对应膜电极的导电性更好,整体提锂效果更优。

锂的来源及应用

从锂提取的角度,简述了锂矿石、盐湖卤水、海水、地热水及煤与锂电池等含锂资源的开发情况,并简述了锂及其化合物的用途,最后对提锂技术和锂的应用前景进行了展望。

电氧化法地下卤水提溴探究及条件优化

通过设计包含三电极体系的电解槽,并严格控制工作电极电位,提出以电氧化的方法进行地下卤水中溴资源的选择性提取。对电氧化法地下卤水提溴的技术可行性、反应动力学模型、共存Cl^(-)和阳极液初始p H的影响以及最佳操作时间展开分析讨论。结果表明:电氧化法用于地下卤水提溴具备技术可行性,且反应遵循二级反应动力学模型。随共存Cl^(-)浓度的增加,Br^(-)的电氧化反应速率常数先增大后减小,Cl^(-)对反应可产生促进与抑制的双重作用:促进作用来源于随Cl^(-)浓度升高而增大的溶液总电导率,抑制作用来源于Cl^(-)与Br^(-)在石墨电极表面的竞争吸附;单位能耗随Cl^(-)浓度的增大而减小,电流效率相对不受影响。随阳极液初始p H的减小,Br^(-)的电氧化反应速率常数逐渐增大,电流效率与单位能耗相对不受影响。随电氧化操作时间的延长,Br_(2)提取率的增长速率逐渐降低,电流效率不断降低,单位能耗不断升高的同时其增长速率也不断增大;6~10 h为推荐的最佳的操作时间。

电渗析盐水浓缩过程中有机酸及其盐迁移规律研究

针对电渗析法含盐水浓缩过程中有机物迁移对高浓度盐水纯度及后续蒸发结晶过程的影响,开展了有机物电解质在电渗析过程中的迁移规律的研究。选择苯甲酸、苯甲酸钠、柠檬酸、柠檬酸钠4种典型有机物,研究了电流、NaCl浓度、有机物浓度、淡室溶液pH等因素对上述有机物迁移通量的影响。实验结果表明,有机酸及其盐的迁移通量随着电流、有机物初始浓度、淡室pH的增加而增加,随着氯化钠初始浓度的增加而降低。有机酸及其盐的电迁移受离子化程度、分子尺寸及结构共同影响,不同条件下上述作用对有机物迁移过程影响程度不同。而在恒定电流下,NaCl浓度、有机物浓度、淡室溶液pH和有机物种类对NaCl和水的迁移均无明显影响。

化学沉淀法去除飞灰浸取液中重金属的研究

采用化学沉淀法去除垃圾焚烧飞灰浸取液中重金属,考察无机与有机重金属沉淀剂种类、加入量及无机与有机重金属沉淀剂联用对浸取液中Pb2+、Cd2+、Zn2+、Cu2+、Mn2+的去除效果。实验结果表明,在选用的无机沉淀剂碳酸钠、硫化钠中,硫化钠的去除效果较好,在硫化钠与重金属摩尔量比为1.5时,总去除率可达87.61%;在选用的有机重金属沉淀剂TMT-102、MT-103与RS-2568中,MT-103对重金属的去除效果最好,在添加量为300 mg·L-1时,重金属总去除率可达97.93%。将无机沉淀剂与有机沉淀剂联用,按照沉淀剂与重金属摩尔量比为1.5加入硫化钠后,再按照添加量为30 mg·L-1添加MT-103,最终溶液中重金属总去除率可高达98.59%,达到很好的去除效果。

垃圾焚烧飞灰水洗液纯化及无机盐分离

使用沉淀剂对垃圾焚烧飞灰水洗液中的重金属进行去除实验,并对去除重金属后水洗液中的无机盐进行分离回收。考察了无机、有机沉淀剂单独使用以及无机-有机沉淀剂联用对水洗液中重金属的去除效果,对纯化后的水洗液进行蒸发结晶分离,对不同沸点温度分离得到的无机盐的纯度进行分析。结果表明,无机沉淀剂碳酸钠与硫化钠相比硫化钠去除重金属的效果较好,在硫化钠与重金属物质的量比为1.5时重金属的总去除率可达89.02%;有机沉淀剂TMT-102、MT-103、RS-2568中去除重金属效果最好的是MT-103,在其添加量为400 mg/L时重金属的总去除率可达99.49%。将无机-有机沉淀剂联用,先以硫化钠与重金属物质的量比为1.5加入硫化钠,再加入40 mg/L的MT-103,飞灰水洗液中重金属的总去除率可高达99.60%。将纯化后的水洗液中的无机氯盐进行蒸发分离,蒸发沸点为114℃时一次蒸发结束,分离后的盐浆在不低于80℃条件下洗涤提纯,得到氯化钠的纯度在95%以上;将母液继续蒸发至沸点温度为126℃,然后降温结晶,粗钾按照液固质量比为1.5进行水洗,得到氯化钾的纯度在96%以上;最后的氯化钙母液蒸发至134℃,然后降温结晶,可得六水合氯化钙。

微生物燃料电池处理偶氮含盐废水的产电性能和降解过程

偶氮含盐废水生化处理流程复杂、电耗高,且降解机理尚不明确。本研究基于酸性重铬酸钾法水热处理获取改性阳极,进而构建微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)对偶氮含盐废水进行处理。考察了不同二价阴离子对MFC产电性能和降解有机物效果的影响,并探究了MFC对直接红13的降解机理。结果表明,偶氮含盐废水中含有硫酸钠时的产电性能高于含有碳酸钠的情况,MFC最大功率密度为265.38mW/m^(2)、最大电流密度为1.10A/m^(2);MFC处理偶氮含盐废水时,对直接红13的去除率低于无额外添加盐时的效果(71.13%),对葡萄糖共基质的降解影响程度为:添加硫酸钠>添加碳酸钠>无额外添加盐。微生物群落和降解产物分析表明,MFC阳极生物膜通过变形菌门、拟杆菌门等微生物的协同作用实现了对直接红13的生物电化学降解,产电下降解产物以还原产物芳香胺为主。

沸石法苦卤提钾工艺研究

以改性斜发沸石为离子交换剂,采用离子交换技术,做了以氯化钠溶液为洗脱剂的苦卤提钾工艺研究。单柱实验表明,洗脱温度越高、洗脱剂浓度越大以及适当流速时有利于钾富集。吸附采用模拟移动床流程,进料顺序为"低段溶液-苦卤",钾平均吸附率可达95%以上;洗脱采用固定床流程,进料顺序为"高段溶液-中段溶液-低段吸后溶液-25%(质量分数)NaCl溶液",得到氯化钾平均质量浓度为35.39 g/L的富钾卤水,较苦卤钾浓度提高2.7倍。在钾富集同时,苦卤中的镁、硫酸根等杂质离子亦得到了有效去除,为实现苦卤高效节能提钾奠定了基础。

NH_(4)Cl水溶液的结构和物性研究

通过密度泛函理论(DFT)计算、拉曼光谱和同步辐射X射线散射法,研究了质量分数为1.0%~28.0%的NH_(4)Cl水溶液的微观结构。在室温下测量了粘度、接触角和电导率。由DFT计算和拉曼光谱结果可知,当溶质浓度升高至10.0%时,在2900 cm^(-1)和3100 cm^(-1)附近出现了明显的N-H作用峰,且随着质量分数的升高,NH_(4)Cl水溶液中的DDAA型氢键转变为DA和DAA型氢键。X射线散射结果表明,当NH_(4)Cl水溶液质量分数升高至10.0%时,差值对分布函数G(r)在0.298 nm附近出现明显双峰,表明在该浓度下溶液中NH_(4)^(+)-Cl^(-)接触离子对开始成为主要微观作用形式。NH_(4)Cl水溶液的粘度、接触角和电导率均随着NH_(4)Cl水溶液质量分数的增加而增大。NH_(4)Cl水溶液中氢键类型的转变、O-H...N键占比增多以及逐渐增加的NH_(4)^(+)-Cl^(-)接触离子是粘度和接触角变化的微观本质因素;电导率的增加与溶液中有效导电离子数量增加有关。

改型沸石对氢氧根离子的吸附和再生研究

天然斜发沸石在碱性介质中会吸附OH^-,致使对其他离子的吸附及离子交换能力下降,甚至失去吸附及离子交换能力。研究结果表明,在相同OH^-浓度的碱溶液中,钙型和镁型天然斜发沸石对Ca(OH)2溶液中的OH^-单位吸附量最大,钙型沸石的饱和吸附量为22.21 mg/g,镁型沸石的饱和吸附量为25.30 mg/g。而且氢氧根离子浓度越高,钙型沸石和镁型沸石的平衡吸附量就越大,随着温度的升高这个趋势更加明显。通过对吸附OH^-后的天然斜发沸石的解吸、再生和改型,所得钠型斜发沸石对海水中K+的饱和吸附量为18 mg/g左右,仍然符合海水提钾对斜发沸石的质量要求。

开放实验:微电场下氯化钠水溶液的结构和物理性质

电渗析法海水制盐是一项成熟的工业技术,可替代传统日晒法海水制盐,但电场作用下离子迁移过程尚不够明晰,对其理论认知亟需推进。从外电场对氯化钠水溶液结构的影响入手,设计综合性开放实验:以电渗析实际操作条件为依据,选取0 V和4.5 V直流电压条件,指导本科生应用拉曼光谱法和分子动力学模拟2种手段表征和分析有无电场下NaCl水溶液的微观结构,并测试溶液黏度,尝试将溶液的微观结构与宏观物理性质进行关联,引导学生探索事物的微观本质,激发创新意识。实验整体具有高阶性、创新性和挑战度。