Deciphering co-ion and counterion transport in polyamide desalination membranes reveals ion selectivity mechanisms

反离子 海水淡化 选择性 离子 离子运输机 纳滤 化学工程 扩散 反渗透 化学 有机化学 生物化学 催化作用 工程类 热力学 物理
作者
Yun Guo,Jinlong He,Junwei Zhang,Mengqi Sheng,Zhiwei Wang,Menachem Elimelech,Li Wang
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (23): eadu8302-eadu8302 被引量:28
标识
DOI:10.1126/sciadv.adu8302
摘要

Membrane-based processes, such as reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF), are widely used for water purification and desalination due to their high energy efficiency and exceptional solute-water selectivity. Nevertheless, the fundamental, molecular-level mechanisms governing ion selectivity are still not fully understood. This study explores ion selectivity in polyamide desalination membranes, focusing on the partitioning and diffusion mechanisms of co-ions and counterions. Our experimental and molecular simulation results reveal that electrostatic interactions play a key role in impeding co-ion partitioning while enhancing their diffusion. The results further suggest that ion selectivity is predominantly controlled by the partitioning step, particularly the selective partitioning of co-ions. This finding highlights the importance of focusing on ion partitioning at the water-membrane interface to improve membrane ion-ion selectivity. In addition, our results point out to a trade-off between partitioning and diffusion, requiring careful tuning of these processes. Overall, this study provides the scientific foundation for molecular design of membranes with high ion-ion selectivity.
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