通过混合酰氯单体优化纳滤膜孔径与电荷实现高效锂镁分离

《Desalination》：Optimizing nanofiltration membrane pore size and charge via blended acyl chloride monomers for efficient lithium?magnesium separation

本文报道了一种采用对苯二甲酰氯（TPC）为主、均苯三甲酰氯（TMC）为辅的混合有机相单体，与聚乙烯亚胺（PEI）通过界面聚合（IP）制备复合纳滤膜（NF）的新策略。该策略通过调控酰氯单体组成，有效增强了膜表面正电荷密度并优化了孔径分布，从而显著提升了锂镁（Li/Msup>+/Mg2+）分离性能（分离因子达43.2）与水通量，为盐湖提锂提供了一种经济高效的膜设计方案。

　　

Highlight

化学组成分析

三种纳滤膜在3300–3600 cm^-1和1640 cm^-1处显示出明显的吸收峰（图2a），分别对应于界面聚合（IP）产生的-NH₂/-OH和-N-C=O官能团，而聚醚砜（PES）基底则没有这些光谱特征[21,41,42]。与M-0膜相比，M-6和M-2膜在3300–3600 cm^-1区域的振动强度更强，这可能是由于对苯二甲酰氯（TPC）中酰氯基团较少，导致界面聚合后残留的未反应-NH₂基团浓度更高。XPS全谱扫描结果进一步证实了膜表面的化学组成变化。

结论

本研究通过界面聚合（IP）使用混合酰氯单体（TPC和TMC）制备了纳滤膜，并系统研究了其锂镁（Li/Mg）分离性能。其中，M-2膜（TPC/TMC = 0.12/0.03）表现出最优的锂镁选择性（S_Li,Mg = 43.2），与纯TPC制备的膜相比提高了1.4倍，与纯TMC制备的膜相比提高了6.9倍。基于材料表征、分子动力学模拟（MD）和实验数据分析，我们揭示了混合酰氯单体调控膜微观结构的机理：TPC作为主单体有助于形成更高正电荷密度的膜表面；少量TMC的加入优先与聚乙烯亚胺（PEI）反应，在致密的PEI/TPC基质中引发局部不完全交联，从而产生适度增大的孔径，同时TPC较慢的扩散速率缓和了界面聚合反应，使得孔径分布更为均匀。这种适中的孔径与较强的正电荷相结合，确保了高的Mg²⁺截留率，同时显著增强了Li⁺的传输。此外，M-2膜在不同操作条件（压力、盐浓度、Mg²⁺/Li⁺比率）下以及连续运行100小时期间均表现出优异的稳定性。这项工作不仅拓宽了有机相改性纳滤膜在锂镁分离中的应用范围，而且阐明了混合酰氯单体的调控机制，为设计高效且经济可行的纳滤膜提供了新的见解。