Enhancing ion separation efficiency: Janus charged nanofiltration membrane fabricated via polyethyleneimine-manipulated interfacial polymerization

纳滤 杰纳斯 界面聚合 聚合 化学工程 材料科学 离子 化学 高分子化学 纳米技术 聚合物 单体 有机化学 复合材料 工程类 生物化学
作者
Ting Qi,Xianfu Chen,Tian‐Dan Lu,Dongliang Jin,Rong Xu,Jing Zhong
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier]
卷期号:706: 122930-122930 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2024.122930
摘要

This research introduces highly efficient nanofiltration (NF) membranes designed for the effective rejection of both divalent cations and anions, a critical feature for advanced water treatment technologies. We have devised a simple yet adaptable approach for fabricating Janus polyamide (PA) thin-films characterized by dual charges, which exhibit pronounced selectivity towards both mono-/divalent anions and cations. Leveraging a straightforward interfacial polymerization (IP) process, we integrated high molecular weight polyethyleneimine (PEI) within the PA matrix. This strategy ensured the preferential formation of a dense, negatively charged upper layer dominated by piperazine (PIP), while the substantial molecular size of PEI facilitated the emergence of a loose and positively charged lower layer, thus giving rise to a distinctively charged and structurally heterogeneous PA thin-film. Furthermore, the strategic inclusion of PEI inhibits the diffusion of the PIP, thereby promoting the development of nano-wrinkled structures. This structural innovation not only enhances pure water permeance (16.0 L m‒2 h‒1 bar‒1) but also optimizes ion selectivity through the coordination of steric hindrance and Donnan effects. Consequently, the Janus charged NF membranes we developed exhibit exceptional selectivity for mono-/divalent ions, particularly demonstrating remarkable ion selectivity for Cl‒/SO42‒ and Li+/Mg2+ of 102 and 24, respectively. Our findings introduce a pioneering avenue for fabricating NF membranes that proficiently separate mono-/divalent ions, promising significant advancements in water treatment and purification endeavors.
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