基于离子径迹技术制备带正电荷纳滤膜实现高效镁锂分离

本文报道了一种通过离子径迹技术制备带正电荷纳滤膜（NF）的创新策略，用于解决盐湖卤水中Mg2+/Li+高效分离的难题。该研究利用羧基功能化聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底，通过界面聚合（IP）形成无缺陷聚酰胺（PA）分离层，膜表现出高水通量（7.6 L·m?2·h?1·bar?1）和优异分离因子（29.6），其选择性源于唐南效应（Donnan effect）与介电排斥的协同作用，为高镁锂比卤水中锂的可持续提取提供了可行方案。

　　

章节亮点

膜结构表征

界面聚合形成的聚酰胺分离层决定了纳滤性能。通过衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）证实了交联聚酰胺层的成功形成（图2a），在1644 cm^?1处观察到明显的δ(N–H)振动。此外，在~3300 cm^?1处的宽N–H伸缩振动峰表明表面存在胺基（-NH₂/-NH₃⁺），这些基团在水相条件下易于质子化，赋予膜表面正电荷特性，这对于基于电荷的离子分离至关重要。

结论

本研究展示了用于高效Mg²⁺/Li⁺分离的高性能正电荷纳滤膜的合理设计。通过利用具有垂直排列纳米孔和羧基功能化表面的离子径迹蚀刻聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底，我们构建了理想的界面聚合支撑体。优化后的基底能够形成致密、无缺陷且具有牢固界面粘附力的聚酰胺分离层。精确控制界面聚合参数使得最终膜（PEI-TMC/PET-5）具有出色的性能组合：高水通量（7.6 L·m^?2·h^?1·bar^?1）和卓越的Mg²⁺/Li⁺分离因子（29.6）。机理研究表明，卓越的选择性源于唐南效应和介电排斥的协同作用：膜表面的强正电荷通过静电作用更有效地排斥二价Mg²⁺，而膜-溶液界面的介电不连续性对电荷密度更高的Mg²⁺施加了显著更高的波恩溶剂化能和镜像电荷力。该膜还表现出卓越的长期稳定性，在720小时连续过滤中保持94.5%的Mg²⁺截留率和5.1 L·m^?2·h^?1·bar^?1的稳定通量。在模拟卤水条件（Mg²⁺/Li⁺ = 80:1, 2000 ppm）下运行两周，其性能保持稳定，S_Li/Mg为28.8。这项工作为从高镁锂比卤水中可持续提取锂的可扩展、高能效膜技术铺平了道路，并提供了从基底到活性层的合理设计策略以及对离子传输机制的基础见解。