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Roles of Anion–Cation Coupling Transport and Dehydration-Induced Ion–Membrane Interaction in Precise Separation of Ions by Nanofiltration Membranes

化学 离子 化学物理 纳滤 水化能 离子运输机 选择性 离子键合 电解质 反离子 分子动力学 计算化学 物理化学 有机化学 生物化学 催化作用 电极
作者
Xiaohu Zhai,Yong‐Lei Wang,Ruobin Dai,Xuesong Li,Zhiwei Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (19): 14069-14079 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c04772
摘要

Nanofiltration (NF) membranes are playing increasingly crucial roles in addressing emerging environmental challenges by precise separation, yet understanding of the selective transport mechanism is still limited. In this work, the underlying mechanisms governing precise selectivity of the polyamide NF membrane were elucidated using a series of monovalent cations with minor hydrated radius difference. The observed selectivity of a single cation was neither correlated with the hydrated radius nor hydration energy, which could not be explained by the widely accepted NF model or ion dehydration theory. Herein, we employed an Arrhenius approach combined with Monte Carlo simulation to unravel that the transmembrane process of the cation would be dominated by its pairing anion, if the anion has a greater transmembrane energy barrier, due to the constraint of anion-cation coupling transport. Molecular dynamics simulations further revealed that the distinct hydration structure was the primary origin of the energy barrier difference of cations. The cation having a larger incompressible structure after partial dehydration through subnanopores would induce a more significant ion-membrane interaction and consequently a higher energy barrier. Moreover, to validate our proposed mechanisms, a membrane grafting modification toward enlarging the energy barrier difference of dominant ions achieved a 3-fold enhancement in ion separation efficiency. Our work provides insights into the precise separation of ionic species by NF membranes.
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