新型双侧链阴离子交换膜（AIEMs）助力高效离子分离

为解决离子交换膜选择性与渗透性平衡难题，研究人员制备 PAES-TA/BS-X 型 AIEMs，性能优异，为后续研究提供参考。

　　

研究背景：离子分离的挑战与机遇

在节能减排、传统产业现代化的大背景下，离子的精确分离对化工生产的可持续发展至关重要。电渗析（ED）技术凭借低能耗、高效率和操作便捷等优势，在盐水浓缩、海水淡化、废酸废碱回收等领域广泛应用，其中单双价阴离子的分离更是在工业废水处理、饮用水净化等方面发挥关键作用。然而，制备具有高选择性的离子交换膜（IEMs）面临巨大挑战，如何在选择性和渗透性（离子通量）之间找到平衡成为关键难题。此前研究虽有进展，但仍需探索更有效的方法来优化 IEMs 性能。

为解决这些问题，研究人员开启了对新型阴离子交换膜（AEM）的探索之旅。此次研究由众多研究人员共同参与，相关成果发表在《Advanced Membranes》上。该研究成果意义重大，有望为高性能单价选择性 AEM 的发展提供新方向，推动离子分离技术的进步。

研究方法：多技术协同探索

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过特定的反应步骤合成双侧链接枝的聚芳醚砜（PAES），并进一步制备成 AIEMs。在表征分析上，采用傅里叶红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）对 IEMs 进行化学结构和热稳定性分析；利用扫描电子显微镜（SEM）、极限电流密度测试、离子迁移数测定、离子交换容量测定、表面电阻测试、溶质扩散系数测定、溶胀率和吸水率测定等多种手段对其物理性质进行全面表征。此外，还运用小角 X 射线散射（SAXS）和分子动力学模拟来深入研究 AIEMs 的微观结构。

研究结果：性能卓越的新型 AIEMs

1. 形态与结构分析：制备的四种 AIEMs 均透明均匀，随着 3 - 溴丙磺酸钠接枝量增加，颜色变浅，膜表面无缺陷且机械性能良好。FTIR 分析表明成功接枝了侧链，证实了两性结构 AIEMs 的成功制备。
2. 热稳定性分析：TGA 显示 AIEMs 有两个明显的质量损失阶段，分别对应侧链和主链的降解。PAES-TA/BS-X 比 PAES-TA-7 的降解峰更复杂，且随着 3 - 溴丙磺酸钠接枝密度增加，降解峰向高温移动，表明合成的主链结构热稳定性良好，适用于 ED 应用。
3. 关键理化性质分析：与 PAES-TA-7 相比，AIEMs 的阴离子交换容量（AEC）较低且随磺酸根基团引入进一步降低。PAES-TA/BS-X 在不同溶液中的表面电阻变化表明其对氯离子（Cl^-）和硫酸根离子（SO₄^2-）有不同的渗透阻力，其中 PAES-TA/BS-0.85 对 Cl^-选择性较高。AIEMs 的吸水率和溶胀率较低，且随 3 - 溴丙磺酸钠侧链增加而增加，同时溶质扩散系数随磺酸根基团增加而减小，SO₄^2-的扩散系数低于 Cl^-。
4. 极限电流密度：随着 3 - 溴丙磺酸钠量增加，AIEMs 的表面电阻增大，极限电流密度在 11.03 - 13.02 mA/cm²之间，该范围可确保 ED 过程高效进行，且侧链磺酸根基团含量变化会影响极限电流密度。
5. 单价阴离子分离性能分析：在电流密度为 2.5 mA/cm²时，PAES-TA/BS-X 对 Cl^-和 SO₄^2-进行分离测试。结果显示 PAES-TA/BS-0.85 选择性最高，为 67.46，其 Cl^-离子通量较高，SO₄^2-离子通量较低，表明适量磺酸根基团侧链对 AIEMs 选择性有积极影响。
6. 微相分离形态分析：SAXS 分析发现膜内存在有序微相分离模式，且随着 PAES-TA/BS-X 侧链磺酸基团增加，离子簇平均尺寸增大，散射峰位置的 q 值减小。分子动力学模拟表明引入亲水性磺酸侧链使膜基质更致密，自由体积增加，同时 AIEMs 中存在离子交联结构，这与离子选择性测试结果一致。

研究结论与意义：开拓离子分离新方向

研究人员成功制备了新型双侧链型 AIEMs（PAES-TA/BS-X），该膜具有良好的热稳定性和尺寸稳定性。优化后的 PAES-TA/BS-0.85 表现出色，表面电阻低至 6.31 Ω?cm² ，在 2.5 mA/cm²电流密度下，选择性高达 67.46，超越了商业单价选择性 IEM。这一研究成果为后续高性能单价选择性 AIEMs 的发展提供了重要参考，有望推动电渗析技术在更多领域的应用，为实现离子的高效分离和资源的可持续利用奠定基础，在化工生产、环境保护等领域具有广阔的应用前景。