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Polyamide membranes with nanoscale ordered structures for fast permeation and highly selective ion-ion separation

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作者
Changwei Zhao,Yanjun Zhang,Yuewen Jia,Bojun Li,Wenjing Tang,Chuning Shang,Rui Mo,Pei Li,Shaomin Liu,Sui Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:76
标识
DOI:10.1038/s41467-023-36848-8
摘要

Fast permeation and effective solute-solute separation provide the opportunities for sustainable water treatment, but they are hindered by ineffective membranes. We present here the construction of a nanofiltration membrane with fast permeation, high rejection, and precise Cl-/SO42- separation by spatial and temporal control of interfacial polymerization via graphitic carbon nitride (g-C3N4). The g-C3N4 nanosheet binds preferentially with piperazine and tiles the water-hexane interface as revealed by molecular dynamics studies, thus lowering the diffusion rate of PIP by one order of magnitude and restricting its diffusion pathways towards the hexane phase. As a result, membranes with nanoscale ordered hollow structure are created. Transport mechanism across the structure is clarified using computational fluid dynamics simulation. Increased surface area, lower thickness, and a hollow ordered structure are identified as the key contributors to the water permeance of 105 L m2·h-1·bar-1 with a Na2SO4 rejection of 99.4% and a Cl-/SO42- selectivity of 130, which is superior to state-of-the-art NF membranes. Our approach for tuning the membrane microstructure enables the development of ultra-permeability and excellent selectivity for ion-ion separation, water purification, desalination, and organics removal.
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