Preparation of Electro-nanofiltration Membranes with High Li+/Mg2+ Separation Performance via Sequential Interfacial Polymerization

doi:10.7503/cjcu20230484

Abstract

Abstract:

Highly selective electro-nanofiltration membranes（ENFMs） were prepared by regulating the aqueous-phase monomers of interfacial polymerization（IP） and constructing the positively charged surface by sequential interfacial polymerization（SIP） for the separation of lithium and magnesium by selective electrodialysis processes. The IP reaction was carried out using different aqueous-phase monomers with trimesoyl chloride to achieve the regulation of the pore size and charging property of the separation membranes. The optimum Li⁺/Mg²⁺ separation performance（4.75） of the membrane was achieved when piperazine was used as the aqueous-phase monomer. Subsequently， the SIP reaction was utilized to introduce positively charged aqueous-phase monomer polyethyleneimine（PEI， M_W=70000） of different concentrations on the optimal IP membrane surface， which converted the charge of the membrane surface from negative to positive. With the increase of PEI concentration， the positive charge density on the membrane surface increased significantly； the optimal SIP membrane achieved outstanding selectivity for Li⁺/Mg²⁺（15.90） and high Li⁺ flux（3.26×10^‒8 mol⋅cm^‒2⋅s^‒1）， which breaks the traditional “Trade-off” effect and lays the foundation for the subsequent research and application of Li⁺/Mg²⁺ separation salt-lake brines.

Key words: Interfacial polymerization, Electro-nanofiltration membrane, Selective electrodialysis, Li⁺/Mg²⁺ separation

CLC Number:

O631

TrendMD:

LIU Huili, WANG Jing, CHEN Jiashuai, SONG Zhihao, JIANG Yumeng, GUO Zhiyuan, ZHANG Panpan, JI Zhiyong. Preparation of Electro-nanofiltration Membranes with High Li⁺/Mg²⁺ Separation Performance via Sequential Interfacial Polymerization[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20230484.

Figures/Tables 10

Table 1 Key properties of electro-nanofiltration membranes

Membrane	10^‒2IEC/（mmol·g^‒1）	MR/（Ω·cm²）	WU（%）	A_swelling（%）
IP⁃PIP	0.92	4.25	72.47	0.84
IP⁃MPD	0.94	6.04	62.32	1.18
IP⁃PEI₆₀₀	1.13	5.16	70.09	1.35
IP⁃PEI_70k	1.11	4.85	66.85	0.67
SIP⁃0.5	1.14	3.63	55.28	1.84
SIP⁃1	1.26	3.52	55.63	1.76
SIP⁃2	1.31	3.45	54.53	1.72

Table 2 Li+/Mg2+ separation performance of MCPMs reported in references and this work

Membrane	c（LiCl）/（mol∙L^‒1）^*	Current density/（mA·cm^‒2）	10⁸J_Li+/（mol·cm^‒2·s^‒1）	$P M g 2 + L i +$	Ref.
ENF⁃Q3	0.1	10.00	5.79	11.3	［19］
PAM_（PEI/PSS）_10.5	0.1	10.00	4.44	4.59	［38］
TFN⁃（Zr/Ti）⁃2	0.1	10.00	5.43	11.38	［39］
M⁃TMA⁃0.15wt%	0.1	5.00	0.98	14.11	［40］
PANi⁃Q24	0.05	5.10	0.03	1.75	［41］
P⁃COOH⁃QSQ	0.1	2.12	0.45	5.16	［42］
SPQ⁃10	0.1	2.12	2.47	12.70	［43］
IP⁃PIP	0.1	10.00	4.28	4.75	This paper
SIP⁃1	0.1	10.00	3.76	15.67	This paper
SIP⁃2	0.1	10.00	3.26	15.90	This paper

Table 2 Li+/Mg2+ separation performance of MCPMs reported in references and this work

Membrane	c（LiCl）/（mol∙L^‒1）^*	Current density/（mA·cm^‒2）	10⁸J_Li+/（mol·cm^‒2·s^‒1）	$P M g 2 + L i +$	Ref.
ENF⁃Q3	0.1	10.00	5.79	11.3	［19］
PAM_（PEI/PSS）_10.5	0.1	10.00	4.44	4.59	［38］
TFN⁃（Zr/Ti）⁃2	0.1	10.00	5.43	11.38	［39］
M⁃TMA⁃0.15wt%	0.1	5.00	0.98	14.11	［40］
PANi⁃Q24	0.05	5.10	0.03	1.75	［41］
P⁃COOH⁃QSQ	0.1	2.12	0.45	5.16	［42］
SPQ⁃10	0.1	2.12	2.47	12.70	［43］
IP⁃PIP	0.1	10.00	4.28	4.75	This paper
SIP⁃1	0.1	10.00	3.76	15.67	This paper
SIP⁃2	0.1	10.00	3.26	15.90	This paper

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