高渗析通量多功能基团新型离子膜的设计、制备和应用

化工冶金等领域生成大量含金属盐的酸性和碱性废液，离子膜扩散渗析法是处理该类废液的重要方法之一。目前的离子膜对废液中酸或碱的通量较小，限制了膜的应用前景。本项目从离子传质机理出发，认为通量主要受制于H+或OH-离子在膜内的传递特征，离子在传递过程中受到多种阻力，特别是静电排斥作用。为促进H+或OH-离子在膜内的传递，本项目设计了多功能基团离子膜，膜内同时含有离子交换基团和辅助功能基团，辅助功能基团包括-COOH,-Si-OH,-C-OH, -NH2, -NH-和-NR2等，可以通过氢键和酸-碱对等作用促进H+或OH-离子的传输，而对金属（酸根）离子没有明显促进作用，所以可显著提高膜通量，同时保持甚至提高选择性。.本项目发展的多功能基团离子膜具有高通量并保持选择性，突破了两者之间的特性交换（trade-off）效应。对多功能基团促进离子传质机理的研究，可为渗析膜的设计和应用提供前沿的理论指导。

化工冶金等领域生成大量含金属盐的酸性和碱性废液，离子膜扩散渗析（DD）法是处理该类废液的重要方法之一。目前的离子膜对废液中酸或碱的通量较小，限制了膜的应用前景。本项目成功开发了多种多功能基团离子膜，兼具离子交换基团 (-N+R3Cl-, -SO3Na等)和辅助官能基团（-C-OH，-Si-OH，-COOH，-NH2）。将该类膜用于酸/盐或碱/盐混合物的DD分离，获得了优异的效果。例如，同时含有-SO3Na、-COH/-SiOH基团的离子膜用于NaOH/Na2WO4的DD过程，室温下OH-渗析系数为0.0102-0.0111 m/h，远高于商业磺化聚苯醚膜的值（0.00137 m/h）。另外，含有-N+(CH3)3、-SO3-、-COH和-Si-OH的PVA-聚电解质复合膜能同时适用于废酸液和废碱液的扩散渗析过程。用于HCl/FeCl2体系，膜的分离因子能高达89.9，是商业DF-120膜的近5倍；对NaOH/Na2WO4体系，碱渗析系数在0.014~0.019m/h之间，是商业SPPO膜的7~9倍；用于工业废酸和废碱的处理时，通量和选择性均可优于商业FQB和FSB膜。. 此外，还通过膜结构、性能和DD效果之间的关联，研究了酸或碱的传质机理，特别是深入探讨了辅助功能基团对H+或OH-离子传输的促进作用。通过对比表明，普通的离子交换膜具有三相结构，即憎水主链形成的憎水相、离子交换基团形成的活性相，以及之间的中间相。酸或碱（如HCl、NaOH）在膜中渗析透过时，反离子（Cl-或Na+）较易从活性相中迁移，为保持电中性，同离子（H+或OH-）也要迁移通过。为了减少静电阻力，同离子的迁移主要通过中间相，但是由于中间相亲水性差，所以迁移阻力较大，导致酸或碱渗析系数很低。对于多功能基团离子膜而言，一方面，大量辅助功能基团（如-SiOH和-C-OH）分布在膜基体中，由于这些基团具有良好的亲水性，所以会使“憎水相”含水量增加，膜的“三相”结构发生改变，“憎水相”和“中间相”的界限变得模糊，亲水性增加，离子迁移阻力下降；另一方面，辅助功能基团可以通过氢键等作用促进H+或OH-离子的迁移。此外，以上辅助功能基团对金属或酸根离子的迁移没有明显促进作用，所以在膜通量提高的同时，可以保持甚至提高选择性，获得优异的DD分离效果。以上研究结果可为渗析膜的设计和应用提供前沿的理论指导。