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A 10 nm Polyamide Membrane with an Asymmetric Charge Structure for Efficient Lithium Extraction

聚酰胺 纳滤 材料科学 渗透 选择性 化学工程 表面电荷 萃取(化学) 锂(药物) 海水淡化 反渗透 界面聚合 浓差极化 离子 表面粗糙度 图层(电子) 阻挡层 法拉第效率 电化学 卤水 扩散 表面光洁度 分析化学(期刊) 卤化物 表面能 水化能 纳米孔 溶解 半透膜
作者
Yushuai Yang,Yuanzhang Zhao,Shuang Zhao,Ruxin Yao,Hui Li,Junhao Ma,Can Shi,Shengchi Bai,Xiaoqi Wang,Jie Li,Xiao Feng,Bo Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (2): 2064-2072 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c14567
摘要

Polyamide membranes are essential for lithium extraction from salt-lake brines, yet optimizing their ion-sieving efficiency remains difficult. Herein, we report an ultrathin polyamide membrane (∼10 nm thick) with a low surface roughness (Ra = 1.18 nm) and an engineered asymmetric charge distribution. The membrane combines a positively charged upper layer, a negatively charged lower layer, and an interfacial region with narrower pores formed via interlayer interpenetration. This architecture promotes differential dehydration of Mg2+ and Li+ at the upper layer and amplifies selectivity through the interfacial region. Passage through the positive layer increases ion charge exposure, enhancing diffusion selectivity within the negatively charged interior and raising the transmembrane energy barrier for Mg2+ relative to Li+. The membrane achieves a Li+/Mg2+ selectivity of 69 and a water permeation flux of 12 L m–2 h–1 bar–1, surpassing commercial benchmarks. Its ultrasmooth surface and high hydrophilicity minimize fouling, maintaining a flux recovery above 90% under high contaminant loads. Scaled-up modules using a three-stage nanofiltration process reduced the Mg2+/Li+ ratio in a concentrated brine simulant (25 g L–1) from 50 to 0.2, highlighting strong potential for industrial lithium recovery.
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