具有离子通道的仿生离子膜的设计、制备和性能研究

Large amounts of waste solutions containing acid, base or other electrolytes are generated from the fields of chemical production, metallurgy, etc. The present ion exchange membranes, due to its monotonic structure, have the defects of low permeability, narrow scope of separation and low stability, which restrict their potential applications and developments. This project analyses the ion transport process in membranes and the transport characters in organism, and designs the bionic membranes with ion transfer channels.The bionic membranes have asymmetric structures including adsorption-desorption layers and penetrating ion transfer channels, which are similar to tree "root-leaf" and human "blood vessel", correspondingly. Hence, the bionic membranes can have high permeability. The ion transfer channels contain composite functional groups, some of which are sensitive to temperature, pH, solvent, pressure or current. Hence, the channels are able to transfer active ions in unidirection, and exhibit high selectivity. This project designs the structures of bionic membranes according to ion transport mechanism. The bionic membranes not only have effective and specific ion transfer channels, but also contain stable membrane matrix as support. Hence, the membrane performances break the traditional "trade-off" effects among membrane stability, permeability and selectivity. The investigation of ion transport mechanism in ion transfer channels will provide theoretical instructions for the design and adjustment of novel ion exchange membranes.

化工生产和冶金等领域产生大量含酸、碱或其它电解质的溶液，这些溶液可通过离子膜扩散渗析法进行分离。目前的离子膜由于结构单一，存在通量低、分离范围窄、稳定性不足等局限，限制了膜的应用前景。本项目从离子传递过程出发，根据组分在生物体内的传递特点，设计了具有离子通道的仿生膜。膜具有吸附-脱附层并存的不对称结构，类似于植物的"树根-树叶"；或具有贯通的离子通道，通道内含有复合功能基团，类似于动物的"血管"，从而获得高渗透性。利用部分通道内功能基团的温敏、pH敏感、溶剂敏感、压力或电流敏感的特点，使通道对活性离子具有单向传递功能，从而获得高选择性。 本项目根据离子传递机理设计了仿生膜的结构，膜具有高效专一的离子通道，并具有稳定的母体作为支撑，因此突破了传统膜稳定性、渗透性和选择性三者之间的置换(trade-off)效应。对离子通道的促进传递机理的研究，可为离子膜的设计和性能调控提供前沿的理论指导。

化工生产和冶金等领域产生大量含酸、碱或盐电解质的料液，这些料液可以通过膜扩散渗析和电渗析法进行分离。目前的离子膜由于结构单一，存在通量低、选择性不足、分离程度有限等局限，限制了膜的应用前景。本项目从仿生的角度出发，从四个方面设计了不同类型的离子通道，促进特定离子在膜内的传递。首先，通过对聚合物相转化再功能化的方式，构建多孔离子通道，通道能促进有机酸的传递；其次，通过局部交联的方法，得到活性-非活性区交替分布的膜结构，活性区具有高的离子渗透性；再次，通过不同功能基团的耦合，如将辅助功能基团如-OH和离子交换基团结合起来，形成能促进酸或碱传递的半离子通道；最后，阴、阳离子交换基团通过双层复合或共混，能形成双极膜或两性膜，在电解脱盐方面具有特殊的应用前景。在分离过程中，考察了溶剂不对称环境对离子传递的影响，对比了浓差驱动下的自由扩散与电场驱动下的定向传递，并结合两种驱动过程共同分离料液。. 本项目所设计的离子通道，具有阻力小、亲水性高、传递离子专一、或协同效应显著等特点，因此在传递HCl或NaOH方面，具有高的通量和选择性；在面对低活性的电解质方面，能顺利传递氨基酸、乳糖酸或CH3COONa；在特殊应用方面，能电解CH3COONa产酸碱。由于通道分布在稳定的膜母体内，膜具有良好的稳定性。本项目关联了离子通道结构—离子传递的环境— 分离性能之间的关系，也为离子膜的设计和性能调控提供了前沿的理论指导。