摘要
随着电渗析技术应用日益广泛，作为其核心组件的离子交换膜（简称：离子膜）需要满足一些特殊需求。例如，要求离子膜具有耐酸/碱性、一/二价离子选择性、抗污染性或耐有机溶剂性能等。均相结构离子膜由于其优越的电化学性能，已被广泛研究。诸多研究表明，聚合物主链上功能化侧链结构会对离子膜的性能产生显著影响。然而，较少有研究报道聚合物主链微结构对离子膜性能的影响规律。基于此，论文主要围绕不同刚度主链的聚芳醚砜类均相阴离子膜的制备及电渗析酸浓缩和一/二价阴离子分离的应用探索，以研究离子膜的物化性能、微观结构和电渗析性能之间的关系。研究内容如下： （1）设计了系列主链嵌疏水柔性烷基链的咪唑功能化侧链型聚芳醚砜，以制备高酸浓缩性能阴离子膜。研究表明：随着烷基链（–CH2–的数量：3，6，9或12）的增长，离子膜的离子簇尺寸从0.81nm减小到0.75nm，并且其疏水性逐渐增强。例如，吸水率（20℃）从21.6%降至17.1%；静态水接触角从93°升至105°。电渗析测试结果表明：该系列膜的酸浓缩能力随着烷基链的增长而逐渐增强，浓缩后硫酸溶液浓度可达到1.59M、1.65M、1.83M和2.06M（初始浓度1.00M）。离子膜性能的变化可能归因于：（ⅰ）主链中刚度较小的长烷基链与其他主链或侧链中的长烷基链相互缠绕，此类结构限制了离子簇的尺寸；（ⅱ）疏水烷基链含量的增加引起离子膜疏水性的提高。 （2）设计了主链含刚性苯并咪唑结构咪唑功能化侧链型聚芳醚砜，以制备高单价阴离子选择性离子膜。基于（1）中研究基础，对比研究了刚/柔性结构对离子膜性能的影响。研究表明：湿态下，主链嵌苯并咪唑结构离子膜的离子簇尺寸（0.55nm）比主链嵌烷基链结构离子膜的离子簇尺寸（0.760?0.791nm）小。该尺寸差异可归因于苯并咪唑结构较高的旋转能垒（4.3×10?3Hartree）和离子膜较小的相对自由体积（0.636%）。由于阴离子在小尺寸离子簇构筑的亚纳米离子通道中选择性传输，含苯并咪唑结构离子膜只允许Cl?通过而几乎阻止了SO42?通过（电流密度：2.5mA·cm?2），表明该类离子膜优异的一/二价阴离子分离性能。
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