Planting Anion Channels in a Negatively Charged Polyamide Layer for Highly Selective Nanofiltration Separation

纳滤 化学 化学工程 生物污染 结垢 渗透 表面电荷 色谱法 膜污染 生物化学 工程类 物理化学
作者
Yuling Ren,Pengfei Qi,Yinhua Wan,Chulong Chen,Xiangrong Chen,Shichao Feng,Jianquan Luo
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (24): 18018-18029 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c06582
摘要

A nanofiltration (NF) membrane with high salt permeation and high retention of small organics is appealing for the treatment of high-salinity organic wastewater. However, the conventional negatively charged NF membranes commonly show high retention of divalent anions (e.g., SO42-), and the reported positively charged NF membranes normally suffer super low selectivity for small organics/Na2SO4 and high fouling potential. In this work, we propose a novel "etching-swelling-planting" strategy assisted by interfacial polymerization and mussel-inspired catecholamine chemistry to prepare a mix-charged NF membrane. By X-ray photoelectron spectroscopy depth profiling and pore size distribution analysis, it was found that such a strategy could not only deepen the positive charge distribution but also narrow the pore size. Molecular dynamics confirm that the planted polyethyleneimine chains play an important role to relay SO42- ions to facilitate their transport across the membrane, thus reversing the retention of Na2SO4 and glucose (43 vs 71%). Meanwhile, due to the high surface hydrophilicity and smoothness as well as the preservation of abundant negatively charged groups (-OH and -COOH) inside the separation layer, the obtained membrane exhibited excellent antifouling performance, even for the coking wastewater. This study advances the importance of vertical charge distribution of NF membranes in separation selectivity and antifouling performance.
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