DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-025-00398-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40144313
تاريخ النشر: 2025-03-12
المؤلف: Dingchang Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأيونات المعتمدة على الأغشية
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تقنيات مختلفة للتوصيف لتحليل عينات أغشية البوليمر. تم إجراء مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) باستخدام مطياف FTIR من نوع Perkin-Elmer Spectrum 100، بينما تم الحصول على أطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) للحالة السائلة لـ ^1H و ^13C عند 25 °م و 60 °م باستخدام مطياف Bruker Avance III HD 600 MHz أو Jeol 400 MHz في CDCl3 و d-DMSO، على التوالي. تم تقييم الخصائص السطحية من خلال امتصاص الغاز تحت ضغط منخفض باستخدام محلل Micromeritics 3Flex، حيث تم قياس إيزوثرم الامتصاص/الإزالة لـ N2 و CO2 عند 77 كيلفن و 273 كيلفن، على التوالي. تم إزالة الغازات من العينات قبل القياسات، وتم حساب توزيع حجم المسام باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT).
تم إجراء امتصاص بخار الماء الديناميكي (DVS) عند 25 °م باستخدام محلل DVS وزني. تم فحص الشكل العرضي للأغشية عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بعد الكسر اليدوي في النيتروجين السائل وتغطية الكروم. تم تحديد امتصاص الإلكتروليت أو الماء كفرق الوزن بين الأغشية الرطبة والجافة، بينما تم تحديد نسبة الانتفاخ من فرق الطول. تم قياس موصلية الأيونات من خلال مطيافية الامتزاز الكهربائي، باستخدام إعداد ذو قطبين مع أقطاب من الفولاذ المقاوم للصدأ وانحياز متردد قدره 10 مللي فولت، مع مسح الترددات من 0.2 ميغاهرتز إلى 10 هرتز، لتقييم الموصلية تحت درجات حرارة مرتفعة.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصميم وتوصيف أغشية البوليمر المفعلة بالأميدوكسي، مع التركيز بشكل خاص على جيلين من الأغشية الأيونية البوليمرية (PIMs). الجيل الأول، PIM-1، يعتمد على الديبنزيديوكسين، بينما يتكون الجيل الثاني من PIMs خالية من روابط الإيثر تم تصنيعها عبر تفاعلات فريدل-كرافت المحفزة بواسطة الأحماض الفائقة. تسلط الدراسة الضوء على تعديل مجموعات النيتريل في PIM-1 لإنشاء مجموعات أميدوكسي هيدروفيلية ومجموعات حمض الكربوكسيل، والتي تؤثر بشكل كبير على خصائص امتصاص الماء ونقل الأيونات في الأغشية. تم توصيف الأغشية باستخدام تقنيات مثل الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مما يؤكد سلامتها الهيكلية وميكرو مساميتها.
تشير النتائج إلى أن الأغشية المفعلة بالأميدوكسي تظهر امتصاصًا محسّنًا للماء وانتقائية للأيونات، خاصة في فصل الأيونات الأحادية والثنائية. على سبيل المثال، أظهرت غشاء AO-PIM-1 نسب انتقائية عالية لـ K\(^+\)/Mg\(^{2+}\) (1,000) و Na\(^+\)/Mg\(^{2+}\) (500) في الخلائط الثنائية، وذلك بسبب الديناميات التنافسية للنقل بين الكاتيونات الأصغر والأكبر. كما تؤكد الدراسة على دور المجموعات الوظيفية وهياكل المسام في تنظيم نقل الأيونات، حيث تكشف محاكاة الديناميات الجزيئية عن تغييرات كبيرة في توزيع حجم المسام عند التعديل. بشكل عام، تسلط الأبحاث الضوء على إمكانيات أغشية PIM المصممة لتطبيقات فصل الأيونات بكفاءة، خاصة في سياق معالجة المياه المالحة والتحليل الكهربائي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-025-00398-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40144313
Publication Date: 2025-03-12
Author(s): Dingchang Yang et al.
Primary Topic: Membrane-based Ion Separation Techniques
Methods
In this study, various characterization techniques were employed to analyze polymer membrane samples. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was conducted using a Perkin-Elmer Spectrum 100 FTIR spectrometer, while liquid state nuclear magnetic resonance (NMR) spectra for ^1H and ^13C were obtained at 25 °C and 60 °C using Bruker Avance III HD 600 MHz or Jeol 400 MHz spectrometers in CDCl3 and d-DMSO, respectively. The surface properties were assessed through low-pressure gas physisorption using a Micromeritics 3Flex analyzer, measuring N2 and CO2 adsorption/desorption isotherms at 77 K and 273 K, respectively. Samples were degassed prior to measurements, and pore size distribution was calculated using density functional theory (DFT).
Dynamic vapor sorption (DVS) of water was performed at 25 °C using a gravimetric DVS analyzer. The cross-sectional morphology of the membranes was examined via scanning electron microscopy (SEM) after manual fracturing in liquid nitrogen and chromium coating. Electrolyte or water uptake was quantified as the weight difference between wet and dry membranes, while the swelling ratio was determined from the length difference. Ion conductivity was measured through electrochemical impedance spectroscopy, utilizing a two-electrode setup with stainless steel electrodes and an AC bias of 10 mV, scanning frequencies from 0.2 MHz to 10 Hz, to evaluate conductivity under elevated temperatures.
Discussion
In this section, the authors discuss the design and characterization of amidoxime-functionalized polymer membranes, specifically focusing on two generations of polymeric ionic membranes (PIMs). The first generation, PIM-1, is based on dibenzodioxin, while the second generation comprises ether-bond-free PIMs synthesized via superacid-catalyzed Friedel-Crafts reactions. The study highlights the modification of nitrile groups in PIM-1 to create hydrophilic amidoxime and carboxylic acid groups, which significantly influence the membranes’ water sorption and ion transport properties. The membranes were characterized using techniques such as nuclear magnetic resonance (NMR) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, confirming their structural integrity and microporosity.
The findings indicate that the amidoxime-functionalized membranes exhibit enhanced water uptake and ion selectivity, particularly in separating monovalent and divalent ions. For instance, the AO-PIM-1 membrane demonstrated high selectivity ratios for K\(^+\)/Mg\(^{2+}\) (1,000) and Na\(^+\)/Mg\(^{2+}\) (500) in binary mixtures, attributed to the competitive transport dynamics between smaller and larger cations. The study also emphasizes the role of functional groups and pore structures in governing ion transport, with molecular dynamics simulations revealing significant changes in pore size distribution upon modification. Overall, the research underscores the potential of engineered PIM membranes for efficient ion separation applications, particularly in the context of brine processing and electrodialysis.