Coating of Nafion Membranes with Polyelectrolyte Multilayers to Achieve High Monovalent/Divalent Cation Electrodialysis Selectivities

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作者
Nicholas G. White,Maria Misovich,Andriy Yaroshchuk,Merlin L. Bruening
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:7 (12): 6620-6628 被引量:164
标识
DOI:10.1021/am508945p
摘要

Electrodialysis (ED) membranes typically exhibit modest selectivities between monovalent and divalent ions. This paper reports a dramatic enhancement of the monovalent/divalent cation selectivities of Nafion 115 membranes through coating with multilayer poly(4-styrenesulfonate) (PSS)/protonated poly(allylamine) (PAH) films. Remarkably, K+/Mg2+ ED selectivities reach values >1000, and similar monovalent/divalent cation selectivities occur with feed solutions containing K+ and Ca2+. For comparison, the corresponding K+/Mg2+ selectivity of bare Nafion 115 is only 1.8 ± 0.1. However, with 0.01 M KNO3 and 0.01 M Mg(NO3)2 in the source phase, as the applied current density increases from 1.27 to 2.54 mA cm–2, the K+/Mg2+ selectivities of coated membranes decrease from >1000 to 22. Water-splitting at strongly overlimiting current densities may lead to a local pH increase close to the membrane surface and alter film permeability or allow passage of Mg(OH)x species to decrease selectivity. When the source phase contains 0.1 M KNO3 and 0.1 M Mg(NO3)2, the K+ transference number approaches unity and the K+/Mg2+ selectivity is >20 000, presumably because the applied current is below the limiting value for K+ and H+ transport is negligible at this high K+ concentration. The high selectivities of these membranes may enable electrodialysis applications such as purification of salts that contain divalent or trivalent ions.

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