三相結構離子膜介尺度形成機理、製備及套用研究

《三相結構離子膜介尺度形成機理、製備及套用研究》是依託中國科學技術大學，由徐銅文擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：三相結構離子膜介尺度形成機理、製備及套用研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：徐銅文
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

離子交換膜技術在化工分離和反應領域具有重要的套用，然而離子在膜內的傳質受到“trade-off”效應的限制，即通量和選擇性之間存在矛盾，使得膜材料不能充分發揮其分離能力。為了解決這一問題，本項目擬從介尺度角度出發，研究如何從構建具有介尺度的三相精密結構，通過引入憎水性聚合物主鏈提供膜的強度，固定離子交換基團形成的團簇和通道可以促進溶液中反離子透過，輔助功能基團可以促進同離子的遷移，打破trade-off效應對膜性能的限制。通過小分子單體的結構設計，輔助計算機模擬技術，調控介尺度反應微元中的相分離行為、研究離子在三相結構中的傳質行為，並深入了解膜製備過程中介尺度結構的形成、演化和控制機制，闡明不同功能基團的存在和協同效應對膜分離效果的影響，對功能基團的協同效應– 離子傳質機理–擴散滲析分離酸鹼提供前沿理論指導，為材料的理性設計、大規模合成和製備提出新的科學依據。

結題摘要

離子交換膜技術在化工分離和反應領域具有重要的套用，然而離子在膜內的傳質受到“trade-off”效應的限制，即通量和選擇性之間存在矛盾，使得膜材料不能充分發揮其分離能力。為了解決這一問題，本項目從介尺度角度出發，研究如何從構建具有介尺度的三相精密結構，通過引入憎水性聚合物主鏈提供膜的強度，固定離子交換基團形成的團簇和通道可以促進溶液中反離子透過，輔助功能基團可以促進同離子的遷移，打破tradeoff效應對膜性能的限制。通過耗散粒子動力學（DPD）和分子動力學（MD）模擬了聚合物分子鏈在離子膜製備過程中的聚集行為，闡明了分子及聚集體在成膜過程中隨時間的動態演化規律，通過統計模型獲得了體系的相分離結構信息；闡明了膜液反應性微單元中聚合物鏈生長、輔助基團和功能基團定向聚集、小分子單體擴散間的“競爭協調”行為，不同相區從溶液到固態介觀演化規律，通過分子結構調控，從理論上闡明了三相結構離子膜製備的介尺度調變因素，為建立三相結構離子膜製備新工藝提供了理論支撐。闡明了聚合物鏈段在膜製備過程中組裝、定向聚集行為的調變因素，開發了系列結構新穎的離子交換膜材料；研究了離子膜製備過程中，小分子單體生長、反應活性、微結構的動力學調變機制；基於以上兩方面的研究成果，開發了反應塗覆一步制膜新工藝，闡明了膜液反應性微單元中聚合物鏈生長、輔助基團和功能基團定向聚集、小分子單體擴散、反應及功能基團微擾動的介尺度行為，闡明了三相結構膜的介尺度演化規律和調控方法，實現了三相結構離子膜精準調控。建立了基於同步輻射技術的三相結構離子膜的表征方法。利用介尺度科學原理，研發了一條通過分子結構設計、調控，基於系列多功能基團多矽載體分子的批量製備三相結構離子膜的新制膜工藝，突破了離子通量和選擇性的trade-off關係，大幅提升離子膜性能。實現了具有三相結構離子膜產業化並建成廢酸處理示範工程，取得了較好的套用效果。