一种非对称MXene膜在离子选择性分离中的应用

本发明属于离子分离领域，具体涉及一种非对称mxene膜在离子选择性分离中的应用。

背景技术：

1、目前在二维膜领域，为了获得具有不同功能的膜材料，研究人员均是通过“一锅法”前修饰或后修饰的方法将功能基团或者第三方物质引入到二维膜结构中，从而赋予二维膜不同的分离属性。

2、现有技术中针对具有不同分离属性二维膜的制备，大多直接将改性剂与二维纳米片进行混合搅拌，而后通过抽滤，喷涂，压滤等方式进行成膜，此类方法虽然可以赋予二维膜结构一定的特异性分离属性，比如对li+或者k+有选择性透过作用，但因为其混合的随机性以及改性剂与二维纳米片结合方式的不确定性导致后修饰的二维膜结构极不均一，最终导致分离性能没有明显的提升，并且性能参差，甚至难以重复。且难以进行大面积放大制备。而造成这种问题及缺陷的原因，是因为众多方法并未对二维膜的微观结构以及结构-性能关系进行探究，同时忽略了二维结构的电荷性质以及限域传质特性，从而只关注对二维纳米片的功能化修饰，而忽略了对整体二维膜结构的设计。造成这种现象的原因是因为目前研究界对二维亚纳米限域结构的研究还处于黑箱阶段，里面的传质与结构之间的理论关系尚不清晰，从而导致研究者们放弃了对膜结构的修饰，转而寻求简单的二维纳米片的改性手段。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的目的在于提供一种非对称mxene膜的在离子选择性分离中的应用。

2、本发明的目的通过下述技术方案实现：

3、一种非对称mxene膜在离子选择性分离中的应用，包括以下步骤：将经过待分离金属阳离子特异性识别修饰的非对称mxene膜置于离子分离装置中，在进料侧加入测试离子盐溶液，在另一侧加入去离子水，在浓度差异的驱动下，实现待分离金属阳离子选择性分离；

4、待分离金属阳离子为li+，na+，k+，rb+，cs+，mg2+，ca2+，sr2+，ba2+，al3+中的至少一种，所述待分离金属阳离子的离子浓度为0.001-1mol/l；

5、所述非对称mxene膜是将成膜后的二维层状mxene膜在特异性改性溶剂中进行浸渍改性后修饰得到。

6、优选地，所述的非对称mxene膜的制备方法，具体包括如下步骤：

7、(1)将锂盐与酸溶液混合，得到混合液，再将三维体相max粉末加入混合液中，搅拌，洗涤，干燥，得到二维层状mxene粉末；

8、(2)将二维层状mxene粉末与溶剂混合，超声处理，离心，取上清液，获得含有二维mxene纳米片的溶液；

9、(3)将步骤(2)所得含有二维mxene纳米片的溶液通过正压压滤的方式堆积到，多孔滤膜基底上，干燥，即得二维层状mxene膜；

10、(4)压滤操作结束后，将具有识别作用的特异性改性溶剂浸渍修饰二维层状mxene膜，干燥，即得非对称mxene膜。

11、优选地，所述特异性改性溶剂为冠醚及冠醚衍生物中的至少一种，所述浸渍的时间为1min-12h；所述特异性改性溶剂浓度为1mg/ml-10g/ml。

12、优选地，所述特异性改性溶剂为十八冠六醚或十五冠五醚。

13、优选地，所示非对称mxene膜厚度为10nm-100μm。

14、优选地，所述非对称mxene膜材料为ti3c2，ti2c,v2c,v4c3 ti4c3，nb4c3，nb2c，ti3cn,moc2，ta4c3中的至少一种。

15、优选地，所用的测试离子盐溶液为licl，nacl，kcl，rbcl，cscl，mgcl2，cacl2，srcl3，bacl2，alcl3，lino3，nano3，kno3，rbno3，csno3，mg(no3)2，ca(no3)2，sr(no3)3，ba(no3)2，al(no3)3，liso4，naso4，kso4，rbso4，csso4，mgso4，caso4，srso4，baso4，al2(so4)3中一种以上，所述测试离子盐溶液浓度为0.001-2mol/l。

16、优选地，所述测试离子盐溶液浓度为0.25mol/l。

17、优选地，所述非对称mxene膜用于海水淡化和脱盐领域。

18、本发明所述非对称mxene膜是将成膜后的二维层状mxene膜进行浸渍改性后修饰得到。所述浸渍的时间为1min-12h，浸渍改性液浓度为1mg/ml-10g/ml。所述二维层状mxene膜的制备方法与专利《一种二维自交联mxene膜在离子分离中的应用》相同。

19、本发明通过将二维层状mxene膜进行后修饰浸渍改性。将制备好的mxene膜夹在抽滤杯上，然后将修饰改性溶液倾倒在夹好的mxene膜上，通过控制改性溶液的浓度，溶液高度等，获得不同非对称程度的mxene膜。且获得的膜在干燥后可从基底上自由脱落成无支撑柔性片状膜，可根据应用领域，灵活结合不同基底进行使用。

20、本发明通过对层状mxene膜的结构进行后非对称修饰，并通过修饰剂与修饰层中纳米片的官能团进行相互作用而稳定层间结构，获得具有不同分离选择性并且选择性增强的非对称状mxene膜。该膜从根本上解决了被修饰剂修饰后的纳米片成膜后，形成的随机且无序的层状结构问题。在保证了层状mxene膜对离子具有特异选择性的同时，其非对称结构促进了被选择离子的快速传输。

21、本发明所述非对称mxene膜在离子分离中的应用，所述离子是指水合直径处于纳米级的离子(一般尺寸小于1nm)，所述离子一般为阳离子，包括，li+，na+，k+，rb+，cs+，mg2+，ca2+，sr2+，ba2+，al3+中的至少一种。

22、所述离子分离是指在溶液中利用非对称mxene膜通过渗透实现离子选择性分离。

23、所述非对称mxene膜在离子选择性分离中的应用，包括以下步骤：

24、将非对称mxene膜放入渗透分离测试装置中，在进料侧加入测试离子盐溶液，在另一侧加入去离子水，在浓度驱动下，实现离子选择性分离。

25、所示非对称mxene膜厚度为10nm-100μm。

26、测试所用盐溶液为licl，nacl，kcl，rbcl，cscl，mgcl2，cacl2，srcl3，bacl2，alcl3，lino3，nano3，kno3，rb no3，csno3，mg(no3)2，ca(no3)2，sr(no3)3，ba(no3)2，al(no3)3，liso4，naso4，kso4，rbso4，csso4，mgso4，caso4，sr3(so4)2，baso4，al2(so4)3中一种以上，浓度为0.001-1mol/l。

27、本发明通过将非对称mxene膜应用于li+，na+，k+，rb+，cs+，mg2+，ca2+，sr2+，ba2+，al3+等离子选择性分离时候，表现出优异的离子选择性能(li+，na+,k+,rb+，cs+等高附加值单价离子)和超快的目标离子稳定性，在盐湖的资源化利用，海水提锂，提铷，提銫，高附加值离子回收领域有重大的工业化应用价值。

28、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

29、(1)、本发明的非对称mxene膜被用于离子选择性分离时，对目标离子li+，na+,k+,rb+，cs+等有优异的分离选择性和超高渗透性以及较高的透水量，在盐湖的资源化利用和海水中高附加值离子回收领域有良好的应用前景。

30、(2)、本发明由于具有非对称纳米层状结构，使得选择层和传输层相互独立且相互协同，在选择目标离子的同时可以通过传输层快速导出，其可在常压至十个大气压下使用，并且膜面积可按需定制，不受基底限制，能耗低且适用于高酸性/碱性的复杂工况。

31、(3)、本发明的非对称mxene膜由于是先成膜，后修饰，所以在进行选择性离子分离时，膜性能均一，不受批次制备以及操作工艺的影响，在固定修饰工艺下，离子分离选择性不会出现突变，同时在复杂工况下，分离选择性能也不会出现突变，并且制备成本低，操作简便，适合后续大规模化生产。