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阳离子交换膜中分子形态与水/离子扩散关系的洞见:以部分磺化聚醚砜为例
Journal of Membrane Science ( IF 8.4 ) Pub Date : 2022-04-18 , DOI: 10.1016/j.memsci.2022.120561 Mohammad Rezayani 1 , Farhad Sharif 1 , Roland R. Netz 2 , Hesam Makki 1
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更新日期:2022-04-18
Journal of Membrane Science ( IF 8.4 ) Pub Date : 2022-04-18 , DOI: 10.1016/j.memsci.2022.120561 Mohammad Rezayani 1 , Farhad Sharif 1 , Roland R. Netz 2 , Hesam Makki 1
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阳离子交换膜 (CEM) 的分子设计因其在许多应用中的重要作用而至关重要。已经表明,通过 CEM 的水和离子传输取决于膜形态,而膜形态本身是聚合物结构和水合水平的函数。已经有大量的实验研究致力于将聚合物结构与水/离子扩散相关联,推测分子相互作用、形态形成和水/离子扩散之间的关系。在我们的模拟研究中,首先,我们计算了水的反常扩散系数 ( D a)在磺化聚(醚砜)(sPES)膜中,并将它们与实验膜进行比较,证实了各种条件下结果之间的极好一致性。然后我们介绍了膜形态的定量测量,即与水/离子反常扩散系数密切相关的孔限制直径 ( PLD )、最大空腔直径 ( LCD ) 和孔径分布 ( PSD )。因此,我们展示了聚合物结构和膜水合水平如何改变膜形态,并且PLD和水/离子异常扩散系数之间存在直接相关性。我们找到了一个临界PLD值,精确地等于扩散离子的大小(Na+ , K + ),低于此值离子的迁移率极为有限,高于此值离子的反常扩散系数随PLD线性增加。在临界PLD之上, D - PLD关系的斜率与离子在磺酸根附近的停留时间密切相关。此外,我们的模拟表明,更大的水合水平会导致更互连和更均匀的水网络、更快的水/离子扩散、更少的接近磺酸根离子的水/离子停留时间以及更接近正常的水/离子扩散行为。
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