Tailoring sub-nanochannels and ion-imprinted functionality of palygorskite nanofiltration membranes for desalination and lithium-ion transport

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作者
Baodui Wang,zhen liping,Genping Meng,Xisheng Zhao,Wenting Guo,Dina Sun,Yonghui Chen,Shuai Wei,Guowen Hu,Aiqin Wang
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-5202612/v1
摘要

Abstract Nanofiltration membranes featuring sub-1-nm channels have demonstrated considerable potential for desalination and ion separation. However, the construction of both high selectivity and permeance membranes with tailorable one-dimensional (1D) sub-1-nm channels using a versatile and eco-friendly protocol remains a formidable challenge. Here, high selectivity PAL-CMC hybrid (PCH) nanofiltration membranes were successfully prepared based on the coordination-driven self-assembly between natural Palygorskite (PAL) nanorods and carboxymethylcellulose (CMC) in water. We first discovered the ion-imprinting adsorption feature of Mg2+ on PAL. By adjusting the coordination ratio, the PCH membrane retains only the natural 1D straight sub-1-nm channels of PAL nanorods, rendering it one of the few membranes capable of ultra-fast water transport (> 25 L m-2 h-1 bar-1) and exceptional salt retention (97.4% for Na2SO4 and 86.2% for NaCl). Through applying ion imprinting technology, Mg2+-imprinting sites enable the membrane to transport Li+ rapidly and selectively in mixture solutions containing Mg2+, achieving a Li+/Mg2+ selectivity of up to 175. Molecular dynamics simulations indicate that water and lithium ions can be transported rapidly through the intrinsic and tailored sub-1-nm channels of PAL nanorods, respectively. These findings establish PCH membranes as prospective candidates for desalination and lithium extraction from lagoons.
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