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

电渗析 二价 Nafion公司 选择性 聚电解质 限制电流 无机化学 质子化 材料科学 离子 化学工程 化学 电化学 聚合物 有机化学 催化作用 物理化学 电极 工程类 生物化学
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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