Positively Charged Polyamine Nanofiltration Membrane for Precise Ion–Ion Separation

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作者
Zhenying Zhao,Nanxi Di,Zhiyuan Zha,Jixiao Wang,Zhi Wang,Song Zhao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (41): 48695-48704 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.3c11076
摘要

Positively charged nanofiltration (NF) membranes offer enormous potential for lithium-magnesium separation, hard water softening, and heavy metal removal. However, fundamental performance limitations for these applications exist in conventional polyamide-based NF membranes due to the negatively charged surface and low ion-ion selectivity. We hereby innovatively develop an advanced positively charged polyamine-based NF membrane built by the nucleophilic substitution of bromine and amine groups for precise ion-ion separation. Specifically, polyethylenimine (PEI) and 1,3,5-tris(bromomethyl)benzene (TBB) are interfacially polymerized to generate an amine-linked PEI-TBB selective layer with an ultrathin thickness of ∼95 nm, an effective pore size of 6.5 Å, and a strong positively charged surface with a zeta potential of +20.9 mV at pH 7. The PEI-TBB composite membrane achieves a water permeance of 4.2 L·m-2·h-1·bar-1, various divalent salt rejections above 90%, and separation factors above 15 for NaCl/MgCl2 and LiCl/MgCl2 mixed solutions. A three-stage NF process is implemented to achieve a Mg2+/Li+ mass ratio sharply decreasing from 50 to 0.11 with a total separation factor (SLi,Mg) of 455. Furthermore, the polyamine-based NF membrane exhibits excellent operational stability under continuous filtration and high operational pressure, demonstrating great application potential for precise ion-ion separation.
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