Quaternization-spiro design of chlorine-resistant and high-permeance lithium separation membranes

渗透 纳滤 聚酰胺 单体 界面聚合 高分子化学 化学 化学工程 胺气处理 氯化物 次氯酸盐 材料科学 无机化学 有机化学 聚合物 工程类 生物化学 渗透
作者
Huawen Peng,Kai-Cheng Yu,Xufei Liu,Jiapeng Li,Xiang‐Guo Hu,Qiang Zhao
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:97
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41169-x
摘要

Abstract Current polyamide lithium extraction nanofiltration membranes are susceptible to chlorine degradation and/or low permeance, two problems that are hard to reconcile. Here we simultaneously circumvented these problems by designing a quaternized-spiro piperazine monomer and translating its beneficial properties into large-area membranes (1 × 2 m 2 ) via interfacial polymerization with trimesoyl chloride. The quaternary ammonium and spiral conformation of the monomer confer more positive charge and free volume to the membrane, leading to one of the highest permeance (~22 L m −2 h −1 bar −1 ) compared to the state-of-the-art Mg 2+ /Li + nanofiltration membranes. Meanwhile, membrane structures are chlorine resistant as the amine–acyl bonding contains no sensitive N-H group. Thus the high performance of membrane is stable versus 400-h immersion in sodium hypochlorite, while control membranes degraded readily. Molecular simulations show that the high permeance and chlorine resistance, which were reproducible at the membrane module level, arise from the spiral conformation and secondary amine structures of the monomer.
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