Supramolecular-coordinated nanofiltration membranes with quaternary-ammonium Cyclen for efficient lithium extraction from high magnesium/lithium ratio brine

纳滤 卤水 化学 环十二烷 超分子化学 无机化学 锂(药物) 有机化学 分子 生物化学 医学 内分泌学
作者
Ning Gan,Yuqing Lin,Baolong Wu,Yulong Qiu,Haopan Sun,Jiawen Su,Jianguo Yu,Qian Lin,Hideto Matsuyama
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:268 (Pt B): 122703-122703 被引量:49
标识
DOI:10.1016/j.watres.2024.122703
摘要

Ion-selective membranes (ISM) with sub-nanosized pore channels hold significant potential for applications in saline wastewater treatment and resource recovery. Herein, novel synergistic ion channels featuring bi-periodic structures were constructed through the coordination of functional Cyclen (quaternary_1,4,7,10-tetraazacyclododecane, Q_Cyclen) and Cu 2+ -m-Phenylenediamine (Cu 2+ -MPD) to develop supramolecular membranes for lithium extraction. The exterior quaternary ammonium-rich sites exhibit a significant Donnan exclusion effect, resulting in tremendous mono/divalent (Li + /Mg 2+ ) ion selectivity; while the interior regular-confined channels of Cyclen yield a fast vehicular pathway, facilitating water molecules and Li + ion-selective transport. The optimized membrane exhibited an increased water permeance of 19.2 L·m -2 ·h -1 ·bar -1 and simultaneously promoted Li + /Mg 2+ selectivity (achieving a selectivity of 18.5 under a Mg 2+ /Li + mass ratio of 30), surpassing the trade-off limit of conventional nanofiltration membranes. Due to the acquired excellent Li + /Mg 2+ selectivity, lithium extraction from simulated salt-lake brines was successfully achieved through a two-stage nanofiltration process, reducing the Mg 2+ /Li + mass ratio from 40 to 1.1. This work validates the applicability of macrocyclic with intrinsic sub-nanosized channels and desired multifunctionality for developing high-performance ISM for efficient lithium separation and beyond.
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