Permselektive Membranen für monovalente Anionen (MAPMs) in Kombination mit Elektrodialyse können gleichzeitig die effiziente Trennung von mono-/divalenten Anionen und die Konzentration von monovalenten Salzen realisieren. Ihre Anwendungen in praktischen industriellen Szenarien sind jedoch aufgrund der geringen Anionenselektivität kommerzieller MAPMs, insbesondere der geringen Alkalistabilität, begrenzt.
Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern auf Poly(alkylbiphenylpyridinium) basierende Anionenaustauschermembranen mit hydrophoben Seitenketten konstruiert, die eine hervorragende Permselektivität bieten, um einwertige Ionen wie Chlorid (Cl−) und Hydroxid (OH−) von anderen mehrwertigen Ionen zu trennen Elektrodialyse. Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Industrielle Chemie & Materialien (ICM) im Januar 2023.
Permselektive Membranen für monovalente Ionen können eine präzise Ionentrennung erreichen, die in verschiedenen Bereichen wie der Lithiumextraktion aus Salzseen, der Soleraffination und der Nullableitung von salzreichem Abwasser wichtige Anforderungen stellt. Bei den MAPMs sind die größten Herausforderungen die geringe Anionenselektivität und die schlechte Alkalibeständigkeit.
„Die selektive Abtrennung ein-/zweiwertiger Anionen umfasst das Recycling von stark salzhaltigem Abwasser, die Reinigung von Sole in der Chlor-Alkali-Industrie und die Rückgewinnung von Abfallalkali. Wie man MAPMs mit hoher Anionenselektivität und hoher Alkalistabilität konstruiert, ist die Richtung der Bemühungen unseres Teams“, erklärt Tongwen Xu, Professor an der University of Science and Technology of China.
Anionenaustauschermembranen (AEMs) werden üblicherweise durch Brom- oder Chlormethylierung von Polymeren und anschließende Quaternisierung über eine Menshutkin-Reaktion hergestellt. Diese Methode erfordert jedoch hochgiftige Chemikalien wie Chlormethylierungs- oder Bromierungsreagenzien, die die Umwelt gefährden können. Die Ionenleitfähigkeit und Alkalistabilität solcher Membranen sind oft gering, da die kationischen Kopfgruppen der Hauptkette eine geringe Mobilität aufweisen; kann kaum eine gute Mikrophasentrennung erfahren, um effiziente Kanäle für die OH-Ionenleitung zu schaffen.
Außerdem werden Benzylgruppen, die üblicherweise in AEMs der Primärkette vorhanden sind, schnell von den OH− -Ionen angegriffen und stoßen auf nucleophile Substitutionsreaktionen. Eine höhere Ionenaustauschkapazität ist vorteilhaft für den OH-Transport, kann aber die Wasseraufnahme erhöhen. Die AEMs können stark anschwellen, was die Trenneffizienz verringert und den Angriff von OH– auf die Membranen verschlimmert, wodurch ihre chemische und mechanische Robustheit beeinträchtigt wird.
Die Forscher boten ein chemisch robustes Polymerrückgrat mit einer verlängerten Seitenkettengruppe an, um die oben erwähnten Probleme in den traditionellen AEMs zu überwinden. In den resultierenden MAPMs tritt die Mikrophasentrennung zwischen langen Seitenketten und einem hydrophoben Polymer auf.
Dies ist gleichbedeutend mit dem Aufbau eines selektiven Anionentransportkanals in der Membran, der für den aktiven Transport von Cl− im Vergleich zu SO42− Ionen günstig ist und eine hohe Permselektivität ergibt. Sie zeigte auch einen hohen OH−-Fluss mit einer hohen Permselektivität zwischen OH−/WO42−, viel höher als die kommerzielle Neosepta ACS-Membran.
Basierend auf dem Design eines etherbindungsfreien Polymerrückgrats zeigten die MAPMs auch nach zwanzig Läufen eine ausgezeichnete Alkalistabilität.
„Wir haben auch festgestellt, dass diese neuartigen MAPMs mit signifikanter Mikrophasentrennungsmorphologie Bromid-, Fluorid- und Nitrationen von anderen mehrwertigen Anionen basierend auf den Unterschieden im Hydratationsradius und der Gibbs-Hydratationsenergie mit hoher Selektivität trennen können“, sagte Xu.
Die Forscher enthüllten auch, dass sie eine Vorbereitung der MAPMs im Pilotmaßstab abgeschlossen haben. Die umfassende Bewertung der Leistung der MAPMs im Pilotmaßstab ist noch im Gange. Sie planen, die MAPMs so bald wie möglich zu kommerzialisieren, um einige der Schwierigkeiten der Industrie bei der Anionentrennung zu lösen.
Mehr Informationen:
Hongxin Yang et al, Poly(alkyl-biphenyl pyridinium)-Anionenaustauschermembranen mit einer hydrophoben Seitenkette für die Trennung von mono-/divalenten Anionen, Industrielle Chemie & Materialien (2023). DOI: 10.1039/D2IM00043A
Bereitgestellt vom Institut für Verfahrenstechnik, Chinesische Akademie der Wissenschaften