离子交换膜（IEMs）是一种半透膜，根据电荷分离不同物质[1]、[2]。阳离子交换膜（CEMs）传输阳离子并排斥阴离子，而阴离子交换膜（AEMs）传输阴离子并排斥阳离子。这种选择性是通过嵌入聚合物结构中的固定电荷实现的。大多数CEMs含有磺酸基团（-SO3H），这些基团会解离成可移动的H+离子和膜结合的-SO3?基团。固定的负电荷阻止阴离子的传输，同时吸引阳离子。类似地，大多数AEMs含有铵或磷基团，从而产生固定的正电荷和可移动的阴离子[3]。
随着对可持续水处理和资源回收技术的需求增加，对环保型离子交换膜的需求也随之增加。尽管已经存在高性能的CEMs，但许多仍然依赖于有害溶剂或氟化聚合物，这促使人们开发更环保的替代品，如基于生物原料的溶剂系统。
在各种基于膜的分离过程中，电渗析因其能源效率、操作简便性以及能够从水溶液中选择性去除离子而脱颖而出，使其非常适合用于海水淡化[4]、矿物提取[5]、[6]、纯化[7]以及工业废水处理[8]。
电渗析（ED）已在多种水处理、金属和资源回收以及食品加工分离技术中得到成功应用[9]、[10]。在电渗析模块中，IEMs交替排列在阳极和阴极之间。待处理的溶液在膜之间循环，同时在膜堆上施加电位差。带正电的物种向阴极迁移，穿过CEMs并被AEMs阻挡；而带负电的物种向阳极迁移，穿过AEMs也被阻挡。通过膜的选择性传输，结合交替的膜堆叠，可以生成富含或贫乏特定电荷的流体。电渗析的性能取决于多种因素，包括间隔层设计、电极材料、模块尺寸和IEM的性质。理想的CEMs应具有低电阻、低水渗透率、高阳离子选择性和有效的阴离子排斥能力，而AEMs则具有类似的选择性性能标准。
几十年来，全氟化CEMs一直主导着商业应用，其中Nafion?是最著名的例子。其疏水主链与亲水侧链相结合提高了导电性，而氟化结构提供了氧化稳定性。然而，Nafion的高成本和环境影响促使人们寻找替代品[11]。先前的研究表明，Nafion?在生产、使用和寿命终结阶段会生成全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）[12]、[13]、[14]。因此，非全氟化膜聚合物的开发变得重要。聚醚醚酮（PEEK）因其低成本、良好的成膜性能、高机械强度、离子交换能力以及易于磺化形成磺化PEEK（sPEEK）而受到关注[15]。基于sPEEK的膜在多种CEM应用中展示了潜力，包括电渗析海水淡化[16]、[17]、[18]、[19]、酸回收[20]、电渗析[21]、钒流电池[22]和微生物燃料电池[24]。尽管这些研究强调了可持续发展和非氟化材料的优势，但用于膜合成的溶剂通常具有毒性或不可持续性。常见的CEM制造溶剂，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲基乙酰胺（DMAc）和二甲基甲酰胺（DMF），具有毒性、致畸性，并对健康构成风险[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。因此，欧洲化学品管理局（ECHA）计划对这些溶剂进行限制[30]。
如果一种溶剂无毒、无致畸性，并且至少部分来源于可再生原料，则被认为是绿色溶剂。绿色溶剂已被广泛用于微滤、超滤、纳滤和反渗透等压力驱动的膜过程[25]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。然而，它们在CEM制造中的应用仍然有限。据作者所知，只有六项研究报道了使用绿色溶剂合成CEMs，其中五项仅使用了DMSO[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。在第六项研究中（即我们之前的工作[41]），使用不同的绿色溶剂和混合物优化了CEM的性能，Tamilolve NxG/DMSO混合物制成的膜具有比Nafion 117更好的甲醇排斥能力和更高的导电率，尽管缺乏实际应用条件下的验证。
虽然ASTROBIO? NS6是一种市售的绿色溶剂混合物，但其在本研究中的创新之处在于将其应用于电渗析用磺化芳香族聚合物膜的合成。我们小组之前的研究表明，绿色溶剂的选择对sPEEK膜的形态和传输性能有显著影响[41]。基于这一系统的比较，选择了ASTROBIO? NS6，因为它能够在满足无害和生物基标准的同时促进聚合物溶液的均匀性。在本研究中，进一步验证了其在实际电渗析条件下的性能。
虽然之前已有基于α,α'-二氯对二甲苯[42]、[43]的交联策略用于提高sPEEK膜的尺寸稳定性和机械强度[44]，但这些策略大多依赖于有害的非质子溶剂，并且很少在实际电渗析操作条件下进行评估[41]。因此，本研究的新颖之处不在于交联化学本身，而在于开发了一种可持续的膜制造平台，该平台结合了成熟的sPEEK/DCX交联技术和完全无害的生物基溶剂系统。这种综合方法实现了膜的均匀形成、可重复的电化学性能以及具有竞争力的电渗析性能，同时显著减少了传统CEM加工对环境和健康的影响。
在本研究中，通过选择绿色溶剂优化了与α,α'-二氯对二甲苯（DCX）交联的基于sPEEK的膜。研究了新型绿色溶剂混合物ASTROBIO? NS6在CEM合成中的应用。NS6符合CLP法规的要求，含有高比例的生物基原料。其组成旨在模仿吡咯烷酮和酰胺的物理和化学性质。ASTROBIO? NS6是一种基于生物原料的溶剂混合物，旨在替代NMP、NEP和DMF等有害溶剂。它无毒、易于生物降解，并对包括PEEK在内的多种聚合物具有高溶解能力，从而实现有效的溶解和均匀的膜浇铸。其高沸点和适中的粘度有助于形成稳定的聚合物溶液，使其成为CEM合成的环保替代品。此外，使用NS6减少了对外来有毒和有害溶剂的依赖，符合绿色化学的原则。其生物基和易于生物降解的特性，加上不含芳香族化合物、酮类、卤素和萜类化合物，即使在没有进行全面生命周期评估的情况下，也初步体现了可持续性。所合成的sPEEK/DCX膜在实际应用条件下进行了评估，包括电渗析海水淡化，证明了它们作为可持续和高性能离子交换膜的潜力。
