内部阻隔式单价选择性阳离子交换膜的微结构构建与性能研究

As the core component of selective electrodialysis，mono-valent cation selective membranes has many advantages and great application prospect in the field of water treatment. The surface modification, by generating a dense cationic charged layer, is the main strategy for preparing mono-valent cation selective membranes. However, for this method, it is a dilemma to balance perm-selectivity against stability of the modified layer and right operating voltage. In this project, a simple preparative pathway is devised to introduce the barrier structure of multi-valent cations inside the cation exchange membranes through internal modification based on Donnan exclusion and size screening theory. The internal barrier micro-structure could be constructed by the different nature and different kinds of nanofibers. This project lays emphasis on the research of internal connection between membrane performance and internal barrier micro-structure. Then from above research, the roles of original structure and barrier structure of CEM in mono-valent cation selective membrane will be elucidated. And the project will also reveal the change rules of mono-valent selectivity performance according to the different internal micro-structure. Finally, we look forward to prepare the excellent mono-valent cation selective membrane, and develop a novel preparing strategy based on internal barrier micro-structure.

单价选择性阳离子交换膜是单价阳离子选择性电渗析的核心，在水处理领域拥有诸多方面的优势和巨大的应用前景。通常的制备方法是在阳膜表面修饰聚阳离子活性功能层，该策略存在着活性层易脱落、操作电压低和选择性不佳等问题。在本项目中，依据孔径筛分和唐南排斥理论，拟采用内部改性手段，提出在阳离子交换膜基体内部引入不同性质、不同种类的纳米纤维毡的方法，构建具有阻隔多价离子功能的内部微结构，重点研究如何有效优化离子膜内部纳米纤维的结构获得单价阳离子选择性能，通过上述研究，阐明离子交换膜固有结构和阻隔结构在单价阳离子选择性分离中的作用，揭示膜内部结构决定性能、性能反应结构构建的规律，获得具有高性能的单价选择性阳离子交换膜及其普遍适用性的制备方法。

单价阳离子选择性电渗析技术在水处理领域拥有诸多方面的优势和巨大的应用前景，但国内外应用实例却相对较少。其主要发展瓶颈在于高性能单价选择性分离膜的缺乏。基于此，本项目开展了主要研究内容：（1）依据静电排斥和孔径筛分理论，采用内部改性手段，在阳离子交换膜基体内部引入不同性质、不同种类的纳米纤维毡的方法，构建内部含有多价离子“阻隔结构”的高性能单价选择性阳离子交换膜，揭示了内部阻隔式分离膜结构决定性能、分离性能反应内部结构构建的规律。（2）通过以向以氯甲基化聚砜为基膜的部分季铵化的阴离子交换膜(QPSF)中加入一种具有特殊的特性磺胺甲基嘧啶(SF)这种物质，利用其存在的伯胺集团与阴离子交换膜残存的活性氯甲基反应并构成内部交联结构。同时磺胺甲基嘧啶中的伯胺和磺酰亚胺在不同pH条件下能够发生质子化或者去质子化作用，使得改性膜在不同pH环境下具有不同的单价选择性。（3）提出了通过简单电沉积手段将聚乙烯亚胺快速均匀地沉积到以溴化聚苯醚为基膜的部分季铵化的阴离子交换膜的表面，利用聚乙烯亚胺丰富的伯胺基团与部分季铵化阴离子膜表面残存的活性溴甲基构成稳定的化学键键接。（4）基于强化表面水化能垒实现膜性能强化：采取先原位聚合沉积聚吡咯，然后使用不同碳链长度的碘代直链烷烃进行季铵化反应的方法制备了一系列PPy-I-nC膜。通过控制季铵化试剂碳链的长度调节聚吡咯层的疏水程度，实现限制高水合能的多价离子脱水进入改性层内的目的。（5）基于强化表面静电能垒实现膜性能强化，采取先原位聚合沉积聚苯胺，然后使用碘甲烷季铵化的方法制备了PANi-Qn膜。通过控制季铵化程度调节聚苯胺层的荷正电荷密度，达到限制多价阳离子迁移和调节单价阳离子传输的目的。