Counter-ion Conductivity and Selectivity Trade-Off for Commercial Ion-Exchange Membranes at High Salinities

选择性 电导率 离子 海水淡化 离子运输机 化学 扩散 离子交换 水化能 材料科学 化学工程 热力学 有机化学 物理化学 催化作用 工程类 物理 生物化学
作者
Carolina Espinoza,David Kitto,Jovan Kamcev
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (12): 10324-10333 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsapm.3c02102
摘要

The growing interest in using ion-exchange membranes (IEMs) for high-salinity applications such as brine concentration and produced water treatment necessitates a better understanding of their properties under relevant conditions. In this study, we examine the ion transport properties of 40 different commercial membranes contacted by either 1 or 5 m NaCl solutions. To sample a broad materials space, we selected 28 membranes marketed toward desalination applications and 12 membranes marketed toward energy applications. We quantified the equilibrium ion concentrations, salt permeability coefficients, and ionic conductivities of these membranes. Using these results, we derived the effective counter-ion and co-ion diffusion coefficients in the membranes and calculated the counter-ion conductivity and counter-ion/co-ion selectivity. There is a clear trade-off between the counter-ion conductivity and selectivity, with desalination membranes generally exhibiting combinations of high selectivity/low conductivity and energy IEMs generally exhibiting combinations of high conductivity/low selectivity. We decoupled the total selectivity into the partition and diffusion selectivity and correlated these parameters with membrane structural properties to establish structure/property relationships. The results of this study highlight shortcomings in the performance of these membranes and identify gaps in our fundamental understanding of ion transport in IEMs at high salinities.
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