离子交换膜扩散渗透性不对称性：模型与实验研究

《Journal of Medical Internet Research》：Asymmetry of diffusion permeability of ion-exchange membranes: Modeling and experiment

本文综述了离子交换膜（IEM）扩散渗透性不对称性的机理与调控策略。作者结合非平衡热力学（NET）理论框架与微多相模型，揭示了双层膜结构中各层微分扩散渗透性（P*）随虚拟溶液浓度（c）变化的差异性是其不对称传输（如贾努斯膜/Janus membranes行为）的关键。研究以CJMC-3均相阳离子交换膜为例，通过实验与模型验证，指出位于膜一侧的增强织物是导致其扩散不对称性的主要结构因素，为设计高性能不对称膜（如离子二极管、能量收集装置）提供了理论依据与设计思路。

　　

Highlights

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  非平衡热力学分析表明，当膜的一层其微分扩散渗透性（P^*）随虚拟溶液浓度（c）增加而显著升高，而另一层的P^*(c) 却下降（或缓慢升高）时，扩散不对称性效应达到最大。
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  最大扩散通量出现在这样的膜取向下：P^*(c) 随c快速增加的层与上游溶液接触，而P^*(c) 随c下降（或缓慢增加）的层与下游溶液接触。
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  对于研究的CJMC-3膜，观察到的扩散不对称性源于靠近其中一个膜表面的增强织物的存在。

Conclusions

基于非平衡热力学方程的分析表明，当一层的微分扩散渗透性（P^*）随虚拟浓度c增加而增加，而另一层的P^*却随之减少时，不对称性效应达到最大。当膜以P^*(c) 随c快速增加的层接触上游溶液，而P^*(c) 随c下降（或缓慢增加）的层接触下游溶液的取向放置时，可获得最大扩散通量。对于CJMC-3膜，这种P^*(c) 依赖关系的差异是由其宏观非均匀性（增强织物的位置）决定的。微多相模型分析表明，膜的表观P^*(c) 依赖关系可以通过改变假设层（与增强织物相关）的结构和动力学参数来再现。这为理解和管理离子交换膜的扩散不对称性提供了有力的工具。