Architected Composite Reverse Osmosis Membrane with Multibarrier for Enhanced Ammonium Selectivity

化学工程 化学 聚酰胺 反渗透 界面聚合 树枝状大分子 单体 结垢 膜污染 质子化 胺气处理 选择性 聚电解质 膜技术 聚合 表面改性 高分子化学 正渗透 复合数 磁导率 薄膜复合膜 图层(电子) 色谱法 离子交换 多孔性 离子 渗透 半透膜 离子强度 材料科学
作者
YI Yu-ling,Ke-Xin Yuan,Siming Xie,Xin Li,Wei Wang,Haoran Feng,Xian Bao,Jun Ma
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c10965
摘要

To overcome the limited ammonium (NH4+-N) rejection (∼93%) of conventional reverse osmosis (RO) membranes in wastewater treatment, a novel thin-film composite RO (TFC-RO) membrane with ammonium-rejecting functional "fillings" throughout the polyamide (PA) matrix was fabricated by doping polyamidoamine (PAMAM) dendrimers into the PA layer. This unique filling-integrated architecture endowed the RO membrane with an exceptional NH4+-N rejection of 98.39%. Mechanistically, PAMAM dendrimers optimize monomer diffusion kinetics and reaction thermodynamics during interfacial polymerization (IP), regulating the self-limiting effect to form a defect-reduced PA layer with homogenized free-volume characteristics, thereby improving size-sieving capabilities while maintaining favorable water permeability (3.74 L/m2·h·bar). Concurrently, the embedded abundant amine groups (-NH2 and R3N) undergo protonation to form highly positive charges (-NH3+ and R3NH+) within the PA layer, synergizing with the negatively charged membrane surface (-COO-) to establish a robust multiscale electrostatic barrier. This system directly repels NH4+ and indirectly enhances rejection by impeding Cl- transport via the Donnan effect. Furthermore, the structural similarity between the protonated -NH2 (-NH3+) and NH4+ ions generates a "concentration trap" within the PA layer via molecular mimicry, inducing site-specific simulation that elevates intramembrane NH4+ concentration to establish a chemical potential barrier to oppose NH4+ diffusion. The synergistic "structure-charge-concentration" mechanism intrinsic to the filling-integrated design thus effectively inhibits NH4+ migration while concurrently enabling integrated fouling resistance through optimized surface architecture and charge-regulated interfacial interactions. This study offers an advanced membrane separation technology, contributing significantly to low-carbon-water recycling and sustainable development goals.
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