三聚体季铵盐单体接枝的聚酰胺纳米过滤膜，具有高渗透通量和增强的正电荷密度，从而实现更优异的Mg2+/Li+分离性能

《Separation and Purification Technology》：Trimeric quaternary ammonium monomer anchored polyamide nanofiltration membrane with high permeate flux and enhanced positive charge density for superior Mg2+/Li+ separation

锂资源高效提取面临镁离子干扰难题，本研究开发新型QPMDETA阳离子纳米滤膜，通过界面聚合法增强膜表面正电荷密度和亲水性，实现96.04%镁离子截留率和11倍锂镁分离因子，为盐湖卤水提锂提供创新方案。

　　在当前全球能源转型与技术发展的背景下，锂作为关键的战略资源，其在新能源汽车、可再生能源存储和便携式电子设备等领域的广泛应用，使得锂的提取技术成为研究的热点。特别是在盐湖卤水中，锂的浓度虽然较高，但同时也与大量镁离子共存，这给锂的高效提取带来了重大挑战。镁离子与锂离子的水合半径相近，分别为4.3 ?和3.8 ?，导致两者在分离过程中难以有效区分，严重制约了锂的回收效率。因此，实现对镁离子和锂离子的高效选择性分离，对于盐湖卤水中锂的可持续提取至关重要。

为了解决这一问题，研究团队设计了一种新型的正电荷纳米过滤膜（NFM），该膜通过界面聚合技术制备，使用了一种三季铵盐单体——N,N,N′,N″,N″-五甲基二乙二胺（QPMDETA），将其锚定在聚乙烯亚胺（PEI）基的分离层上。这种方法不仅显著提高了膜表面的正电荷密度，还增强了膜的亲水性，从而实现了优异的镁离子/锂离子分离性能。通过合理的改性手段，QPMDETA-NFM表现出显著增强的正电荷密度和亲水性，其等电点为9.39，并且在混合盐溶液中展现出出色的镁氯化物（MgCl?）通透性，达到128.41 L·m?2·h?1·MPa?1。该膜在分离性能方面表现卓越，即使在Mg2?/Li?比例为50:1的2000 ppm混合盐溶液中，其对镁离子的截留率仍高达96.04%，同时保持了稳定的镁离子/锂离子分离因子，约为11。

为了进一步探究QPMDETA-NFM的性能，研究团队利用分子动力学模拟和密度泛函理论计算，深入分析了水分子在膜中的传输机制。这些计算不仅揭示了水分子如何在膜的微孔结构中流动，还帮助理解了正电荷密度和亲水性对离子选择性分离的影响。此外，通过实验测试，研究团队评估了膜的渗透通量、盐分截留率以及镁离子/锂离子的分离能力，进一步验证了QPMDETA-NFM在锂提取方面的潜力。

在膜材料的选择上，研究团队使用了聚砜（PSF）超滤膜作为基材，这种基材具有良好的机械强度和化学稳定性，为后续的界面聚合提供了理想的支撑结构。PEI作为一种含有丰富胺基和季铵盐基团的材料，被广泛用于构建具有正电荷的聚酰胺（PA）分离层。TMC（三甲基氯化物）则作为交联剂，与PEI发生反应，形成具有特定功能的分离层。此外，实验中还使用了多种辅助试剂，如异丙醇（IPA）、十二烷基磺酸钠（SDS）和正己烷（n-hexane），以优化膜的性能。

在膜表面形貌的分析方面，研究团队采用了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）技术，对膜的横截面和表面结构进行了详细表征。结果显示，PSF基膜表面较为平滑，而经过界面聚合反应后，PEI-NFM表面形成了均匀分布的聚酰胺结节结构，这表明在PSF基材上成功构建了功能性分离层。横截面分析进一步确认了分离层与基材之间没有明显的剥离现象，表明膜结构的稳定性和完整性得到了保障。这些形貌特征对于膜的性能表现具有重要意义，因为它们直接影响了水分子和离子的传输路径。

在膜性能的系统评估中，研究团队不仅关注了膜的渗透通量和盐分截留率，还特别强调了镁离子/锂离子的选择性分离能力。通过实验测试，QPMDETA-NFM在高浓度镁离子的混合盐溶液中仍能保持较高的截留率，同时具备较高的水通量。这种性能的平衡是实现高效锂提取的关键，因为高水通量可以提高处理效率，而高截留率则能确保锂的回收率。此外，膜的分离因子在Mg2?/Li?比例为50:1的条件下仍保持稳定，表明该膜在实际应用中具有良好的适应性和可靠性。

为了进一步优化膜的性能，研究团队还探索了多种改性策略。除了引入QPMDETA这种具有三季铵盐基团的单体外，研究团队还考虑了其他材料的引入，如纳米颗粒、亲水性基团和功能性基团，以增强膜的渗透性和选择性。例如，一些研究通过在PEI基膜中引入石墨烯氧化物、纤维素、多壁碳纳米管（MWCNTs）和碳量子点等纳米材料，显著提高了膜的通透性。这些材料不仅能够增强膜的机械性能，还能通过改变膜的表面特性，提高其对特定离子的分离能力。

然而，仅仅依靠引入纳米颗粒或使用具有有限电荷密度的单体，并不能完全解决在PEI基膜中实现高效分离的问题。研究团队提出了一种新的策略，即通过合理设计和引入多种功能性基团，对膜进行表面改性。这种方法不仅能够显著提高膜表面的正电荷密度，还能在一定程度上改善膜的渗透通量。通过实验验证，QPMDETA-NFM在正电荷密度和亲水性方面表现出显著的提升，这使得其在分离镁离子和锂离子时具有更强的选择性和效率。

此外，研究团队还利用分子动力学模拟和密度泛函理论计算，对QPMDETA-NFM的水分子传输机制进行了深入研究。这些计算不仅揭示了水分子如何在膜的微孔结构中流动，还帮助理解了正电荷密度和亲水性对离子选择性分离的影响。例如，水分子在膜中的传输路径受到膜表面电荷密度和亲水性的影响，而这些因素又与膜的分离性能密切相关。通过这些模拟和计算，研究团队能够预测膜在不同条件下的性能表现，并为优化膜的结构和性能提供理论支持。

在实验测试中，研究团队对QPMDETA-NFM的性能进行了系统的评估，包括渗透通量、盐分截留率以及镁离子/锂离子的分离因子。这些测试结果表明，QPMDETA-NFM在分离性能方面表现优异，特别是在高浓度镁离子的混合盐溶液中，其对镁离子的截留率仍然保持在较高水平，同时保持了良好的水通量。这种性能的平衡是实现高效锂提取的关键，因为高水通量可以提高处理效率，而高截留率则能确保锂的回收率。此外，膜的分离因子在Mg2?/Li?比例为50:1的条件下仍保持稳定，表明该膜在实际应用中具有良好的适应性和可靠性。

为了进一步验证QPMDETA-NFM的性能，研究团队还对膜的物理和化学性质进行了详细的表征。这些表征包括对膜表面亲水性的测定、膜厚度的分析以及膜的机械强度测试。结果表明，QPMDETA-NFM的表面亲水性得到了显著提升，这使得水分子在膜中的传输更加顺畅，从而提高了膜的通透性。同时，膜的厚度和机械强度也得到了优化，使其在实际应用中更加稳定和耐用。

在实际应用中，QPMDETA-NFM的优势不仅体现在其分离性能上，还在于其制备工艺的简便性和环保性。传统的膜制备方法往往需要复杂的步骤和较高的能耗，而QPMDETA-NFM的制备则采用了一种较为简便的界面聚合方法，使得其在实际应用中更具可行性。此外，该膜的制备过程对环境的影响较小，符合当前可持续发展的趋势。

综上所述，这项研究提出了一种新的策略，通过引入QPMDETA这种具有三季铵盐基团的单体，对PEI基膜进行改性，从而显著提高了膜的正电荷密度和亲水性。QPMDETA-NFM在分离性能方面表现出色，特别是在高浓度镁离子的混合盐溶液中，其对镁离子的截留率仍然保持在较高水平，同时保持了良好的水通量。这种性能的平衡是实现高效锂提取的关键，而该膜的制备工艺则具有简便性和环保性，使其在实际应用中更具可行性。通过分子动力学模拟和密度泛函理论计算，研究团队深入分析了水分子在膜中的传输机制，为优化膜的结构和性能提供了理论支持。这些研究结果不仅为锂提取技术的发展提供了新的思路，也为其他离子分离技术的应用提供了借鉴。