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Enthalpic and Entropic Selectivity of Water and Small Ions in Polyamide Membranes

渗透 化学 纳滤 选择性 聚酰胺 反渗透 二价 海水淡化 盐(化学) 化学工程 离子 有机化学 高分子化学 生物化学 工程类 催化作用
作者
Idit Shefer,Ophir Peer-Haim,Olga Leifman,Razi Epsztein
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (21): 14863-14875 被引量:78
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c04956
摘要

While polyamide reverse osmosis and nanofiltration membranes have been extensively utilized in water purification and desalination processes, the molecular details governing water and solute permeation in these membranes are not fully understood. In this study, we apply transition-state theory for transmembrane permeation to systematically break down the intrinsic permeabilities of water and small ions in loose and tight polyamide nanofiltration membranes into enthalpic and entropic components using an Eyring-type equation. We analyze trends in these components to elucidate molecular phenomena that induce water-salt, monovalent-divalent, and monovalent-monovalent selectivity at different pH values. Our results suggest that in pores that are either too small or contain an electrostatically repelling mouth, the thermal activation of ions in the form of ion dehydration is less likely, promoting entropically driven selectivity with steric exclusion of hydrated ions. Instead, larger uncharged pores enable ion dehydration, inducing enthalpic selectivity that is driven by differences in the ion hydration properties. We also demonstrate that electrostatic interactions between cations and intrapore carboxyl groups hinder salt permeability, increasing the enthalpic barrier of the transport. Last, permeation tests of monovalent cations in the loose and tight polyamide membranes expose opposite rejection trends that further support the phenomenon of ion dehydration in large subnanopores.
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