离子交换膜的研究前沿和发展趋势
新型膜材料的研发:
微孔框架聚合物离子膜:中国科学技术大学团队设计的微孔框架聚合物离子膜,解决了传统离子膜 “传导性 - 选择性” 相互制约的难题,还解决了离子通道老化和吸水溶胀问题,通过通道壁面化学修饰实现离子近乎 “零摩擦” 传导。
自具微孔聚合物(PIMs)材料膜:英国帝国理工学院宋启磊团队采用 PIMs 材料开发出新型高选择性离子交换膜,通过调节离子传导功能基团周围的局部疏水环境,精准调控自具微孔聚合物的水合程度,实现了快速离子传导和精确的离子选择性。
高导热离子交换膜:天津大学科研团队与中科院大连化物所合作设计出具备三维导热网络的导热氢氧根离子交换膜,大幅提升热传导性能,可有效降低电解槽膜温,提高电解槽内的稳定性。
性能提升方面:
提高离子电导率和选择性:研发新的膜材料和结构,如上述的微孔框架聚合物离子膜和通过 PIMs 材料开发的膜,旨在突破传统膜在离子电导率和选择性上的限制,使膜能够更高效地传导特定离子,同时阻挡其他不需要的离子和分子。
增强稳定性:包括化学稳定性、热稳定性和机械稳定性等。对于在电解水制氢等领域应用的离子交换膜,需要能够承受高电流密度下的工作环境,减少因焦耳热聚积等导致的膜降解,延长膜的使用寿命。
制备工艺的改进:
优化现有工艺:对传统的制备工艺如熔融挤出法、流延法等进行优化,提高生产效率、降低成本、提升膜的性能,例如通过工艺改进使生产的膜更薄、性能更好。
应用领域的拓展:
环保领域:离子交换膜在水处理,尤其是海水淡化和工业废水处理方面的应用将不断深化,有助于解决水资源短缺和环境污染问题,实现水资源的回收利用和污染物的分离。还可用于处理含有重金属离子的废水,实现废水的净化和资源化利用。
智能化与多功能化:未来可能会开发出具有智能响应特性的离子交换膜,能够根据环境因素(如温度、pH 值等)自动调节离子传输性能。同时,多功能化的离子交换膜也将是一个发展方向,例如将离子交换功能与其他功能(如催化、吸附等)相结合,以满足更复杂的应用需求。