Maintaining high magnesium/lithium selectivity in nanofiltration at high salinity: optimizing membrane charge distribution for synergistic Donnan and ion adhesion effects

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作者
Wenyan Ji,Yuping Li,Feng Duan,Lulu Liu,Renqiang Cao,Jingya Yin,He Sun,Jianquan Luo,Hongbin Cao
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:729: 124160-124160 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2025.124160
摘要

Nanofiltration membranes are essential for lithium recovery from brine, but their selectivity declines under high-salt conditions due to electrostatic shielding and fouling. We introduce a novel strategy to enhance membrane performance by enhancing positive charge density on the membrane surface while creating negative charge microdomains within the membrane. Specifically, we functionalized a polyethyleneimine-based membrane with 1,4-butanesultone through a ring-opening reaction, which balanced ion-membrane affinity and optimized the transport kinetics of water and ions. The resulting membrane exhibited a significant enhancement in permeance up to 11.2 L m −2 h −1 bar −1 and selectivity for Mg 2+ /Li + up to 51. Notably, it maintained over 96.21 % MgCl 2 rejection across a wide salt concentration range of 1–20 g L −1 , outperforming the results reported in literature. The comprehensive testing and mechanistic study indicate that this improved performance is due to the synergy of Donnan effect and ion-attraction, facilitated by the designed charge distribution. A two-stage nanofiltration process employing this membrane reduced the Mg 2+ /Li + ratio in brine samples from 43 to 0.25, highlighting its practical application potential. This work introduces a new paradigm for the design of highly selective membranes. • Provides a charge-regulation strategy for designing advanced separation membranes. •Precisely controlled membrane charge distribution synergistically improves permeability and selectivity. •The synergy of the Donnan effect and ion-attraction mechanisms governs membrane stability at high salinity.
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