Nanofiltration membranes with ultra-high negative charge density for enhanced anion sieving and removal of organic micropollutants

纳滤 渗透 化学 哌嗪 电荷密度 界面聚合 Zeta电位 表面电荷 化学工程 聚合 纤维素 聚酰胺 二价 电容去离子 离子 单体 膜技术 扩散 无机化学 选择性 水处理 阳离子聚合 反渗透 色谱法 过滤(数学) 有机化学 废水 聚合物 盐(化学) 细菌纤维素 采出水 电导率 次氯酸盐 粒子(生态学) 合成膜 表面改性 密度泛函理论 渗透 半透膜
作者
Xiaoming Xu,Yuxuan Chen,Zhiwei Wang,Guoyan Hua,Zepeng Zhang,Shengnan Liu,Pengrui Jin,Fuqiang Liu,Huanting Wang
标识
DOI:10.1038/s44221-025-00440-9
摘要

Abstract Nanofiltration membranes with high charge density are highly attractive for selectively removing organic micropollutants and divalent anions from water environments. Here we constructed polyamide (PA) membranes with ultra-high negative charge density via a sea-squirt nanofibrillated cellulose restricted interfacial polymerization process. Sea-squirt nanofibrillated cellulose, which contains a high content of 7.0% carboxyl groups and 29.8% hydroxyl groups, effectively fettered piperazine and regulated the interfacial polymerization reaction kinetics. As a result, the optimized membrane had an ultra-high zeta potential of −148 mV at pH 7 and a charge density of −32.6 mC m −2 . This membrane achieved outstanding performance metrics, including a water permeance of 41.5 l m −2 h −1 bar −1 , exceptional SO 4 2− /Cl − selectivity of 144.5 and greatly increased water/organic micropollutant selectivity. Molecular dynamics simulations revealed a 73.1% reduction in the diffusion rate of piperazine due to competitive forces, leading to a PA surface enriched with -COOH groups. This work provides an effective strategy for tuning the PA membrane charge density to increase water purification and wastewater treatment efficiency.
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