PPY-PEI工程化表面通过季铵化交联增强阳离子交换膜对K+/Mg2+的选择性

《Journal of Applied Polymer Science》：PPY-PEI Engineered Surface With Quaternized Crosslinking for Enhanced K+/Mg2+ Selectivity in Cation Exchange Membranes

提出“纳米粒子沉积-季铵化交联”两阶段修饰策略，通过PPY-PEI构建梯度纳米通道，协同Donnan效应和筛分机制显著提升K?/Mg2?选择性至6.9，保持高K?通量，分子动力学模拟验证离子传输机制。

　　

摘要

单价阳离子交换膜（MCEM）在锂/镁分离和海水软化等战略资源回收领域发挥着关键作用。本研究提出了一种两阶段改性策略：“纳米粒子沉积-季铵化交联”：首先，在商用阳离子交换膜（CEM）表面原位沉积聚吡咯-聚乙烯亚胺（PPY-PEI）复合纳米粒子，然后进行季铵化交联处理，制备出高性能的单价阳离子交换膜（MCEM）。聚吡咯-聚乙烯亚胺（PPY-PEI）纳米粒子的刚性结构有效避免了传统意义上的单体渗透问题，显著降低了膜孔堵塞率。带电的纳米粒子形成了梯度纳米通道，实现了双重机制的协同作用：表面正电荷层通过Donnan效应排斥并阻挡Mg²⁺；2–5纳米的中孔通道通过尺寸筛选促进K⁺的传输。后续的季铵化交联进一步增强了改性层并提高了膜的正电荷密度，从而进一步提升了离子选择性。实验结果表明，该改性膜在K⁺/Mg²⁺分离方面取得了突破性性能：选择性达到6.9；K⁺的通量保持在0.14/(m²·s)的水平。分子动力学模拟证实，聚吡咯-聚乙烯亚胺（PPY-PEI）的存在可以加速K⁺的扩散速率，同时限制Mg²⁺的传输，为选择性离子交换膜的性能预测提供了理论依据。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。