浙江省膜学会官方澎湃号9月18日讯：具有离子化亚纳米通道的微孔膜实现高度选择性的单价和双价阴离子分离

期刊名称: Nature Communications

01 摘要内容

本研究开发了一种具有离子化亚纳米通道的微孔膜，用于实现高度选择性的单价和双价阴离子分离。通过引入特格尔基(Tröger’s Base, TB)单元和季铵基团，构建了具有5.89–6.54 Å窗口尺寸的离子化亚纳米通道，该尺寸介于阴离子水合直径和斯托克斯直径之间，增强了脱水单价离子的传输。结合尺寸筛选和静电相互作用效应，亚纳米通道膜实现了Cl⁻/CO₃⊃2;⁻和Cl⁻/SO₄⊃2;⁻的离子选择性分别达到106和82，显著优于现有技术水平。这项工作为在聚合物固有微孔性(PIM)膜中创建功能化的亚纳米通道提供了有效模板，并为精确离子分离应用的发展铺平了道路。

02 研究背景和意义

快速工业化伴随的过量碳排放加剧了全球变暖，并对能源安全施加了巨大压力。有效地回收含碳物质并将其转化为有价值的产品可以显著减少碳排放和污染。例如，将含碳有机化合物或二氧化碳转化为碳酸盐，为它们的再利用和回收提供了理想途径，这需要从其他物种中有效分离碳酸盐。

膜基分离过程为这些类似分子的分离提供了有希望的途径，依赖于选择性输运通道的发展。然而，碳酸盐与其他共存离子的相似半径和物理性质使得这些离子的分离变得复杂。

本研究通过设计具有特定尺寸和离子相互作用的离子化亚纳米通道，解决了单价和双价阴离子之间选择性分离的问题，显著提高了分离效率和选择性。

03 研究方法

详细膜制备过程: 通过将对苯二胺(DMB)和二甲氧基甲烷(DMM)单体通过酸催化的聚缩反应合成TB聚合物，然后将季铵基团引入TB聚合物骨架以提供离子传输通道。

04 结果和结论

本研究成功开发了一种具有离子化亚纳米通道的微孔膜，实现了高度选择性的单价和双价阴离子分离。通过将Tröger’s Base (TB)单元和季铵基团结合，构建了窗口尺寸介于5.89-6.54 Å的离子化亚纳米通道，这一尺寸介于阴离子的水合直径和斯托克斯直径之间，有效促进了脱水单价离子的传输。通过尺寸筛选和静电相互作用的结合，所制备的膜在单价阴离子和双价阴离子之间展现了卓越的离子选择性，Cl⁻/CO₃⊃2;⁻的选择性达到了106，Cl⁻/SO₄⊃2;⁻的选择性达到了82，显著超过了现有技术水平。

综上所述，本研究开发的季铵化TB微孔聚合物膜对单价和双价阴离子具有非凡的分离选择性。TB单元的刚性V形结构和特定QA基团的引入在膜内构建了离子化的亚纳米通道，优化了通道尺寸，介于阴离子的水合直径和斯托克斯直径之间。进一步研究了QA-TB框架上的离子输运行为以及吸附和脱附能量，发现静电相互作用对Cl⁻迁移的影响有限，但大大减慢了CO₃⊃2;⁻的迁移，从而实现了单价和双价阴离子的显著分离性能。总体而言，这项研究为开发用于精确离子分离的微孔聚合物膜提供了机会，并提供了一种简便的方法来构建定义良好的亚纳米通道。这些进展可能在碳酸盐资源的高效、环保利用、水净化和化学分离等领域有广泛的应用。（本刊有删节）详情见浙江省膜学会官网