利用不同侧链交联方式的聚(芳基哌啶)阴离子交换膜，可显著提升碱性废水处理中的电渗析离子分离效果

《Advanced Membranes》：Poly(arylpiperidine) anion-exchange membranes utilizing varied side-chain cross-linking for enhanced electrodialytic ion separation in alkaline waste treatment

聚亚芳基哌啶基离子交换膜通过调控侧链基团显著提升耐碱稳定性，其PBP-co-COOH膜在2.0 M NaOH中1200小时IEC损失<8.7%，电流效率达90.21%，能耗2.22 kW·h/kg，优于商业膜。

　　电渗析（ED）是一种通过施加电位差驱动离子选择性传输的电膜技术，广泛应用于海水淡化、工业废水处理以及酸碱回收等领域。在这些应用中，阴离子交换膜（AEMs）因其在碱性溶液中选择性分离离子的能力而备受关注。然而，传统AEMs在苛刻的碱性条件下容易发生活性基团的降解，从而影响其性能和寿命。为了解决这一问题，研究人员设计了一种基于聚芳基哌啶（PBP）的新型阴离子交换膜，并使用1,6-二溴己烷作为交联剂，同时引入了不同侧链基团，以提高其在碱性环境下的稳定性。

在实际电渗析过程中，研究人员测试了优化后的PBP-co-COOH阴离子交换膜的性能。结果显示，该膜在2.0 M NaOH溶液中浸泡1200小时后，其聚合物主链的稳定性得到了核磁共振（NMR）的验证，同时热重分析（TGA）表明其质量损失低于8.7%。这表明该膜在高温和强碱环境下表现出优异的化学稳定性。在实际应用中，该膜的电流效率达到了90.21%，而能量消耗仅为2.22 kW·h·kg?1，远优于商用的Neosepta AHA膜（电流效率为80.31%，能量消耗为2.75 kW·h·kg?1）。这些结果充分说明，通过调节膜侧链中的离子基团，可以显著提升电渗析的性能。

研究发现，AEMs在碱性环境下的降解主要与羟基介导的亲核攻击有关。这种攻击不仅影响主链，还可能对侧链上的功能基团造成破坏。为了增强膜的耐碱性，研究团队采用了聚芳基哌啶作为主链，避免了传统聚芳醚主链中存在的醚键，从而提高了化学稳定性。此外，通过引入不同的侧链基团，如羧酸基团、羟基基团、烯基基团等，研究人员进一步优化了膜的离子选择性和化学稳定性。

在合成过程中，PBP-co-R（R = C, OH, COOH, X）系列阴离子交换膜通过酸催化弗里德尔-克rafts缩聚反应制备，随后通过特定的侧链交联策略进行功能化处理。在膜的制备阶段，研究人员首先将PBP聚合物溶解在二甲基亚砜（DMSO）中，再通过添加特定的单溴化合物进行侧链修饰。反应在氮气氛围下进行，并在80°C下持续24小时，以确保侧链的均匀分布和良好的交联效果。最终，通过浸泡在1 M NaOH溶液中完成膜的转化，使其形成羟基（OH?）形式。

通过一系列的表征手段，如傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和小角X射线散射（SAXS），研究人员对膜的结构和性能进行了深入分析。FT-IR分析表明，不同侧链基团在膜中形成了独特的振动特征，进一步验证了膜的化学结构和功能化效果。TGA结果显示，PBP-co-R系列膜在高温下的热稳定性显著优于传统膜材料，其分解温度远高于电渗析的常规操作温度范围（通常低于80°C）。FESEM图像显示，膜表面和截面均具有光滑、均匀的结构，无明显缺陷或相分离现象，表明其良好的机械性能和微观结构。SAXS分析进一步揭示了不同侧链基团对膜中离子通道形成的影响，其中PBP-co-COOH膜表现出高度有序的离子通道结构，有助于提高离子传输效率。

此外，研究还对膜的水吸收能力、膨胀率、离子交换容量（IEC）和机械性能进行了系统评估。结果显示，水吸收能力与膜的离子传输性能密切相关，而膨胀率则反映了膜在不同环境下的尺寸稳定性。PBP-co-COOH膜在水吸收能力方面表现最佳，其水吸收率为16.39%，而膨胀率仅为11.52%，这表明其在保持离子传输效率的同时，具备良好的尺寸稳定性。同时，该膜的电流密度-电压（I-V）曲线显示其在电渗析过程中具有较低的膜表面电阻，有助于提高电流效率并降低能耗。

在电渗析性能测试中，PBP-co-COOH膜在180分钟的实验过程中表现出优异的离子分离能力。实验数据显示，该膜对Cl?和OH?的分离效率显著优于其他膜材料，特别是在长时间运行中，其对Cl?的传输速率明显高于OH?，从而实现了更高的离子选择性。这表明，PBP-co-COOH膜的结构设计能够有效抑制OH?的迁移，同时促进Cl?的传输，使其成为一种高效的阴离子交换膜材料。

在实际应用中，膜的性能不仅取决于其化学结构，还受到多种因素的影响，如膜的厚度、水吸收率、离子交换容量和机械强度等。研究团队发现，PBP-co-COOH膜在这些参数上均表现出优异的综合性能，不仅具有较高的离子交换容量和较低的膜表面电阻，还表现出良好的热稳定性和机械强度。这些特性使其在强碱性环境下仍能保持较高的电流效率和较低的能量消耗，从而满足工业电渗析过程对膜材料的要求。

综上所述，本研究通过合理设计侧链结构，成功开发了一种具有优异耐碱性能和高效离子分离能力的阴离子交换膜。这种膜不仅能够有效回收工业废水中碱性物质，还为电渗析技术在大规模工业应用中的推广提供了新的可能性。未来，随着膜材料的进一步优化和制备工艺的改进，这类阴离子交换膜有望在更多领域得到应用，推动电渗析技术的发展和实际工程的实施。