基于含有哌啶基团的聚(芳基醚腈酮)的高性能阴离子交换膜的合成，用于经济高效的高盐度水电渗析

《Desalination》：Synthesis of high-performance anion exchange membranes based on poly(aryl ether nitrile ketone)s bearing piperidinium moieties for cost-effective high-salinity water electrodialysis

本研究通过直接芳香亲核取代缩聚法，利用聚芳醚酮基体负载哌啶嗡基团，系统调控单体配比，制备出系列高性能阴离子交换膜。优化膜在180分钟内实现96.1%脱盐率、>99%电流效率及2.27 kWh/kg低能耗，且在高盐度（14.0 g/L）和有机污染物（MS/BS）条件下仍保持>92.5%脱盐率，抗SDS污染能力优异。该制备策略有效平衡了离子电导率与机械稳定性，为电渗析海水淡化提供了可扩展、低成本解决方案。

　　本文聚焦于一种新型阴离子交换膜（AEM）的研发，该膜旨在提升电渗析（ED）技术在海水和高盐度废水淡化中的应用性能。电渗析作为一种高效的水处理技术，因其无需相变、低能耗以及环境友好等优势，逐渐成为应对全球淡水资源短缺的重要手段。然而，目前广泛应用的AEM在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是在离子传导性与机械稳定性之间的平衡问题，以及膜材料的抗污染能力。为解决这些问题，研究人员提出了一种新的AEM制备方法，通过直接芳香亲核取代缩聚反应，利用聚（芳醚腈酮）骨架引入哌啶??基团，从而构建出具有优异性能的AEM材料。

该研究通过系统调整哌啶??单体与4,4′-二羟基二苯酮（DODPK）的摩尔比例，成功合成了一系列具有可调组成特性的AEM材料。这种合成方法不仅简化了传统多步骤制备过程，还提高了对离子功能基团数量和空间分布的控制能力，从而优化了膜的离子传导性与机械强度。实验结果显示，所制备的AEM在电渗析淡化过程中表现出优异的性能，例如在180分钟运行时间内，达到96.1%的脱盐率、超过99%的电流效率以及2.27 kWh/kg的低能耗。此外，该膜在连续五次180分钟的电渗析循环中，仍能保持超过90%的脱盐效率，显示出良好的稳定性和重复使用性。

值得注意的是，即使在高盐度条件下（初始盐浓度为14.0 g/L），该膜仍能维持94.6%的脱盐率，并且能耗仅为2.55 kWh/kg，这在当前的AEM材料中属于较高水平。同时，该膜在有机污染物（如甲基磺酸盐MS和苯磺酸盐BS）的挑战下仍表现出较强的抗污染能力，脱盐率保持在92.5%以上，而能耗依然较低。相比之下，十二烷基硫酸钠（SDS）由于其胶束诱导污染的特性，导致膜性能明显下降。这些实验结果表明，该新型AEM不仅具备优异的性能，还能够在实际应用中有效应对各种挑战，为高盐度水处理提供了一种更加环保和经济的解决方案。

在材料选择方面，研究人员使用了多种基础化学品，包括酚、N-甲基-4-哌啶酮、2,6-二氟苯腈（DFBN）、4,4′-二羟基二苯酮（DODPK）、碘甲烷、甲基磺酸盐（MS）、苯磺酸盐（BS）、十二烷基硫酸钠（SDS）、硫酸（H?SO?）、氢氧化钠（NaOH）、碳酸钠（Na?CO?）、硫酸钠（Na?SO?）以及N-甲基吡咯烷酮（NMP）。这些材料均来自商业供应商，未经进一步处理即用于实验。此外，研究还使用了DuPont公司生产的Nafion 212膜作为对照，其预处理过程也纳入了研究范围内，以评估新AEM与传统材料在性能上的差异。

在实验方法上，研究人员通过核磁共振（NMR）分析确认了MPDDP的成功合成和结构特征（见图S1和图S2），并在此基础上，采用控制缩聚反应的方式，合成了一系列（TAPAENK）x聚合物。通过调节DFBN和DODPK的摩尔比例，得到了不同组成的（TAPAENK）x材料。实验数据表明，这些材料的NMP溶液表现出不同的特性，例如（TAPAENK）0.6的特性粘度为0.98 dL/g，（TAPAENK）0.7为0.77 dL/g，（TAPAENK）0.8为0.69 dL/g，（TAPAENK）0.9为0.85 dL/g。这些数据不仅验证了材料的成功合成，还进一步揭示了不同组成对膜性能的影响。

研究还特别关注了AEM在不同应用场景下的表现，特别是在高盐度水处理中的实际应用。通过将所制备的AEM集成到电渗析系统中，研究人员对其在浓度电池中的脱盐性能进行了系统评估。实验结果表明，该膜在电渗析系统中表现出良好的脱盐性能，且在运行过程中能耗较低，符合现代水处理技术对高效、节能的要求。此外，该膜在不同类型的污染物（如有机物和无机物）面前均表现出较强的抗污染能力，这使得其在实际应用中更加可靠和耐用。

在总结部分，研究人员指出，所制备的（QAPAENK）0.8-OH膜在高盐度水的电渗析淡化中表现尤为突出，不仅实现了高效的脱盐，还显著降低了能耗，展现出良好的应用前景。这种新型AEM材料的开发，为工业规模的电渗析应用提供了更加可行的方案，特别是在高盐度水处理领域，其在能源效率方面的表现尤为关键。同时，该膜的性能与成本比优势显著，为解决全球淡水资源短缺问题提供了新的思路和可能性。

综上所述，本文通过系统研究和实验验证，提出了一种新的AEM材料制备方法，该方法不仅优化了传统AEM在性能上的不足，还提升了其在实际应用中的稳定性与抗污染能力。该研究为未来电渗析技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导，特别是在应对高盐度水处理挑战方面，展现出广阔的应用前景。通过这种创新性的研究，科学家们不仅推动了水处理技术的进步，也为实现可持续水资源管理提供了新的解决方案。