三相结构离子膜介尺度形成机理、制备及应用研究

Ion exchange membrane plays a very important role in separation engineering and reaction engineering. However, the transport of ions across ion exchange membrane is restricted by “trade-off” effect, i.e. high permeability and selectivity cannot be obtained at the same time. It retards the membranes to exhibit their full separation potential. To solve this problem, in this project we intend to investigate from the viewpoint of meso-scales on how to construct membranes with triple-phase morphology, i.e. the hydrophobic phase, clusters of ionic groups and assistant phase. The introduction of hydrophobic phase can enhance the strength of membrane. Ionic clusters can facilitate the transport of counter-ions. The assistant phase will facilitate the transport of co-ions. In this way, we believe the trade-off relationship between selectivity and permeability can be broken. By precisely designing the structure of monomers, introducing computer simulation, we will investigate the phase separation behavior during membrane preparation process. In the meantime, the mass transport behavior or ions across the ion exchange membrane will be investigated. The mechanism on formation, transformation and regulation of the mesoscale structure and its impact on membrane separation performance will be explained. It will provide very important guidelines to the investigation on synergistic effect between functional groups, the ion transportation mechanism and acid or base recovery via diffusion dialysis. It also makes great contribution to the rational design, preparation and scaling of functional materials.

离子交换膜技术在化工分离和反应领域具有重要的应用，然而离子在膜内的传质受到“trade-off”效应的限制，即通量和选择性之间存在矛盾，使得膜材料不能充分发挥其分离能力。为了解决这一问题，本项目拟从介尺度角度出发，研究如何从构建具有介尺度的三相精密结构，通过引入憎水性聚合物主链提供膜的强度，固定离子交换基团形成的团簇和通道可以促进溶液中反离子透过，辅助功能基团可以促进同离子的迁移，打破trade-off效应对膜性能的限制。通过小分子单体的结构设计，辅助计算机模拟技术，调控介尺度反应微元中的相分离行为、研究离子在三相结构中的传质行为，并深入了解膜制备过程中介尺度结构的形成、演化和控制机制，阐明不同功能基团的存在和协同效应对膜分离效果的影响，对功能基团的协同效应– 离子传质机理–扩散渗析分离酸碱提供前沿理论指导，为材料的理性设计、大规模合成和制备提出新的科学依据。

离子交换膜技术在化工分离和反应领域具有重要的应用，然而离子在膜内的传质受到“trade-off”效应的限制，即通量和选择性之间存在矛盾，使得膜材料不能充分发挥其分离能力。为了解决这一问题，本项目从介尺度角度出发，研究如何从构建具有介尺度的三相精密结构，通过引入憎水性聚合物主链提供膜的强度，固定离子交换基团形成的团簇和通道可以促进溶液中反离子透过，辅助功能基团可以促进同离子的迁移，打破tradeoff效应对膜性能的限制。.通过耗散粒子动力学（DPD）和分子动力学（MD）模拟了聚合物分子链在离子膜制备过程中的聚集行为，阐明了分子及聚集体在成膜过程中随时间的动态演化规律，通过统计模型获得了体系的相分离结构信息；阐明了膜液反应性微单元中聚合物链生长、辅助基团和功能基团定向聚集、小分子单体扩散间的“竞争协调”行为，不同相区从溶液到固态介观演化规律，通过分子结构调控，从理论上阐明了三相结构离子膜制备的介尺度调变因素，为建立三相结构离子膜制备新工艺提供了理论支撑。.阐明了聚合物链段在膜制备过程中组装、定向聚集行为的调变因素，开发了系列结构新颖的离子交换膜材料；研究了离子膜制备过程中，小分子单体生长、反应活性、微结构的动力学调变机制；基于以上两方面的研究成果，开发了反应涂覆一步制膜新工艺，阐明了膜液反应性微单元中聚合物链生长、辅助基团和功能基团定向聚集、小分子单体扩散、反应及功能基团微扰动的介尺度行为，阐明了三相结构膜的介尺度演化规律和调控方法，实现了三相结构离子膜精准调控。建立了基于同步辐射技术的三相结构离子膜的表征方法。.利用介尺度科学原理，研发了一条通过分子结构设计、调控，基于系列多功能基团多硅载体分子的批量制备三相结构离子膜的新制膜工艺，突破了离子通量和选择性的trade-off关系，大幅提升离子膜性能。实现了具有三相结构离子膜产业化并建成废酸处理示范工程，取得了较好的应用效果。