微孔结构和功能基团调控以制备高渗析通量和选择性离子膜

The traditional membranes can be classified into two categories according to their structures: the porous membranes for pressure-driven separation processes(such as microfiltration and ultrafiltration), which have high flux but low anti-fouling property and selectivity, and are not suitable for small molecules and ions separation; the dense ion exchange membranes for concentration difference- and electrical field-driven separation processes (such as diffusion dialysis and electrodialysis), which have high selectivity but low flux. Accordingly, this project will try to combine the merits of porous membrane and ion exchange membranes through preparing ion exchange membranes containing various pore structures and functional groups including ion exchange groups and assistant functional groups (such as -NH2 and -OH). The ion exchange groups can exchange with the counter ions in the solution, and the assistant functional groups can promote the transport of the co-ions such as H+ and OH-, and increase the membranes' anti-fouling property. The functional groups can be assembled and arranged in different ways, so that the pore size can be decreased and transport channels can be formed. The membranes thus prepared are to be applied for diffusion dialysis and electrodialysis processes, so that the membrane fouling can be suppressed, the trade-off effect between membrane flux and selectivity can be broken to gain high separation efficiency. Besides, the synergetic effects between membrane pores and functional groups can be better understood through research of the transport mechanisms, which can give guidance for some other membrane separation processes such as gas separation and pervaporation.

传统膜结构可分为两大类，一类是压力驱动的多孔膜（如微滤和超滤膜），具有高通量但不抗污染、选择性低，不适合分离小分子或离子；一类是浓度差或电场驱动的致密离子膜（如扩散渗析和电渗析膜），具有高选择性但通量较低。因此，本项目将结合多孔膜和离子膜的优势，设计兼具多孔结构和功能基团的离子膜，功能基团包括离子基团和辅助功能基团如-OH和-NH2。离子基团可以交换溶液中的反离子，而辅助功能基团可以通过弱键作用（氢键）促进溶液中同离子如H+或OH-的传递，且能提高膜的抗污染能力。功能基团可进行不同方式的耦合和排布，达到缩小膜孔径、形成传递通道等目的。 将设计的多孔离子膜应用于扩散渗析和电渗析，不仅有望降低膜污染，还可突破膜通量和选择性相互制约的trade-off效应，获得高的分离效果。另外，将从传递机理的角度出发，研究膜孔径和不同功能基团之间的协同作用，从而为其它膜分离过程如气体分离、渗透汽化提供理论指导

传统膜结构可分为两大类，一类是压力驱动的多孔膜（如微滤和超滤膜），具有高通量但不抗污染、选择性低，不适合分离小分子或离子；一类是浓度差或电场驱动的致密离子膜（如扩散渗析和电渗析膜），具有高选择性但通量较低。因此，本项目结合了多孔膜和离子膜的优势，成功制备了兼具多孔结构和不同功能基团的离子膜，如多孔磺化聚醚砜和磺化聚砜阳膜；具有海绵状、泪形或指形孔，同时含有离子功能基团（-NR+3）和辅助功能基团(-NH2或-NH-)的P84聚酰亚胺阴膜；以及具有多孔结构、多种功能基团的P84-氧化石墨烯复合阴膜等。在以上膜的制备过程中，通过改变凝胶浴类型和相转化温度，或者在涂膜液中添加非溶剂等方法，可以有效调控膜的多孔形貌；而通过化学改性过程的控制，可以调节功能基团的含量，得到的膜具有良好的稳定性和电化学性能。.将以上多孔离子膜应用于扩散渗析，分离无机酸/盐、氨基酸/盐混合物，获得优异的分离效果；或者应用于电渗析过程，对苏氨酸发酵液、氨基酸混合物、有机酸盐等物料进行处理，获得很高的分离效率或产率。此外，通过膜结构、性能和应用效果之间的关联，研究了扩散渗析/电渗析过程中，膜孔与功能基团协同作用促进离子传递的机理，特别是深入探讨了不同的孔结构、辅助功能基团对离子传输的促进作用。通过以上研究，得到优化的膜，同时具有突出的离子渗透性和选择性，由此打破了传统膜通量-选择性之间的相互牵制的置换（trade-off）效应。以上研究内容和成果也可以为其它膜分离过程如气体分离、渗透汽化提供理论指导。