离子交换纳米纤维膜的性能、结构及其在电化学废水处理中的应用

DOI: 10.1016/j.seppur.2022.120529

鉴于当今清洁水消耗和废水管理方面所面临的挑战，电化学水处理工艺越来越多地应用于咸水脱盐、从废物流中回收资源并产生能量，以及废水消毒等领域。这些电化学过程通常利用阳极和阴极之间的离子交换膜，这种膜的材料选择对电池的性能至关重要，而且其性能往往是关键瓶颈。近十年来，大多数研究主要集中在作为膜材料的离子交换纳米纤维的生产上，这可归因于离子交换纳米纤维特殊形态带来的优异离子特性。众所周知，纳米纤维膜具有较大的比表面积、柔性、高孔隙率和相互连通的孔。这些离子交换纳米纤维膜的生产和结构设计采用了不同的策略，本综述对此进行了讨论。具有离子交换功能的纳米纤维可以通过预功能或后功能化方法与静电纺丝相结合来进行制备。根据应用情况，可以直接使用这些纳米纤维垫，或者进行进一步的膜处理以提高尺寸稳定性，通常是在纳米纤维之间添加孔隙填充基质。最后，讨论了离子交换纳米纤维在电化学分离和降解应用中的研究现状。本综述中的大量实例证明了纳米纤维作为离子交换剂的巨大潜力，并为该领域的未来研究提供了新的见解。

图1：在电化学装置中使用离子交换膜：a）带负电荷基团的CEM允许阳离子通过，b）带正电荷基团的AEM允许阴离子通过。

图2：离子交换膜和离子交换纳米纤维发展的时间线。

图3：由静电纺丝工艺生产的离子交换纳米纤维。为了进一步增强机械性能，往往通过致密化处理或将纳米纤维结合到基质材料中。对于后者，纳米纤维可以用作增强剂、离子交换剂或两者兼有。这些离子交换纳米纤维膜在先进的电化学分离应用中显示出很高的潜力。

图4：a）静电纺丝装置。施加高压电源会导致聚合物溶液伸长，从而在收集器上形成纳米纤维。b）典型纳米纤维膜的SEM图像。

图5：生产离子纳米纤维膜的预功能化和后功能化方法的优缺点。

图6：纤维直径对高纯度Nafion?纳米纤维质子电导率的影响。

图7：聚吡咯功能化PAN纳米纤维去除重金属离子。a）吸附机理依赖于金属离子与Cl-之间的阴离子交换，然后是金属离子的还原。b）吸附测试表明纳米纤维膜会去除溶液中的大部分离子。

图8：作为离子交换剂的纳米纤维复合材料的不同成分（蓝色区域=基质）：作为增强材料的纳米纤维，以及在a）不带电基质或b）带电基质上作为离子交换剂的纳米纤维。

图9：提高复合离子交换膜的尺寸稳定性。相互连接的纳米纤维抑制了基质的膨胀。

图10：纤维素纳米纤维增强SPES离子交换膜。a）纤维素上的羟基与基质的磺酸基之间的相互作用导致质子的离子通路。b）纤维素纳米纤维的引入使得溶胀率降低。c）与纯SPES相比，由于添加了纤维素纳米纤维，质子电导率增加。

图11：从Nafion和PPS的电纺双纤维垫开始制备纳米纤维复合离子交换膜。不同的处理实现了不同的膜配置。

图12：SPEEK/壳聚糖纳米纤维复合膜的制备示意图。质子跳跃位点位于纤维/基质界面处。

图13：用生物功能SiO2纳米纤维修饰Nafion膜。a）与纯Nafion?相比，在所有情况下都观察到电导率有所提高。b）与纯Nafion?相比，所有情况下的甲醇渗透率均有所降低。

图14：用于脱盐的电渗析池。

图15：a）SPEEK和电纺SPEEK（ESPEEK）在2V/cm下的不同阳离子通量。b）不同电位梯度下ESPEEK的不同阳离子通量。ESPEEK膜显示出提高的阳离子选择性。

图16：a）具有阴离子交换聚合物（AEP）和阳离子交换聚合物（CEP）的双极膜。b）在AEP和CEP之间具有纳米纤维夹层的双极膜导致相互作用增强。

图17：使用配备AEM的扩散透析装置进行酸回收的示例。

图18：a）微生物燃料电池，由一个用质子交换膜隔开的阳极室和阴极室组成。b）用于从废水中生产氢气的微生物电解池，由质子交换膜隔开。

图19：离子交换纳米纤维的未来研究可分为两类：研究当前纳米纤维膜的必要材料改进以解决其缺点或研究潜在的相关电化学过程以拓宽离子交换纳米纤维的应用领域。

图20：用于厕所废水电化学消毒的太阳能移动厕所示意图。