Koliko su moćne nanofiltracione membrane za uklanjanje teških metala?

Tretman vode kontaminirane teškim metalima je vruća tema u oblasti zaštite životne sredine. Nedavni pregled sistematski rezimira napredak istraživanja nanofiltracionih membrana u uklanjanju jona teških metala, otkrivajući da se kroz inovacije materijala i optimizaciju procesa, protok vode nanofiltracione membrane može povećati za više od 3 puta, a brzina uklanjanja različitih jona teških metala kao što su Cu²⁺, Pb²⁺ i Cd² može da dostigne efikasnu otopinu od 9% i Cd² za vodu. tretman.

Globalna kriza nestašice slatke vode ugrožava živote više od 1,8 milijardi ljudi. Dva su glavna razloga za ovu nevolju: prvo, morska voda čini veliku većinu globalnih vodnih resursa, dok je količina upotrebljive slatke vode ograničena; drugo, ispuštanje otpadnih voda dovodi do sve ozbiljnijeg zagađenja slatke vode. Iako je tehnologija desalinacije morske vode postigla značajan napredak u posljednjih nekoliko godina, prekomjerni joni teških metala (kao što su Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, itd.) u otpadnoj vodi mogu kontaminirati desaliniziranu vodu zbog njihovog akumuliranja, pa čak i uzrokovati smrt.

Stoga je razvoj tehnologija za efikasno uklanjanje tragova toksičnih teških metala iz zagađene vode posebno važan, jer se time mogu istovremeno postići dva cilja: dobivanje više svježe vode i obnavljanje vrijednih resursa.

Nanofiltracione membrane imaju veličinu pora između 0,5-2 nm, koje se nalaze između ultrafiltracionih membrana (10-100 nm, visok fluks, ali nisko odbacivanje) i membrana reverzne osmoze (visoko odbacivanje, ali nizak fluks, velika potrošnja energije). Nanofiltracione membrane mogu efikasno zadržati jone teških metala dok obezbeđuju transportne kanale za molekule vode kroz nanopore, što ih čini najsavremenijom tehnologijom za tretman otpadnih voda kontaminiranih teškim metalima.

Mehanizmi razdvajanja:

Određivanje veličine: Na osnovu razlike u radijusu između zadržanih i prožimajućih materijala. Veličina pora nanofiltracione membrane je veća od prečnika molekula vode (0,4 nm), ali je uporediva sa prečnikom hidratisanih jona teških metala, što omogućava efikasno odvajanje podešavanjem veličine pora.

Donnanova repulzija: Zasnovano na elektrostatičkom odbijanju između jona i nabijene površine membrane. Joni teških metala su obično pozitivno nabijeni, stoga je pozitivno nabijena površina membrane pogodnija za zadržavanje iona zagađivača.

Nadalje, pH otopine za napajanje značajno utiče na performanse membrane: s jedne strane, mijenja površinski naboj i stepen umrežavanja{0}}polimerne mreže, čime utiče na stopu odbacivanja i permeabilnost; s druge strane, utiče na stanje metalnih jona.

Organske membrane

Organske membrane se obično pripremaju korištenjem polimernih materijala, kao što su polisulfon, celuloza acetat, poliviniliden fluorid, polietersulfon, polidimetilsiloksan, polietilen, polikarbonat i poliimid. Među njima, poliamid je najčešće korišteni materijal u pripremi membrana za nanofiltraciju, koji pokazuje odlične performanse u desalinizaciji morske vode.

Neorganske membrane

Neorganske membrane posjeduju odličnu kemijsku i termičku stabilnost i mogu formirati jednoličnu strukturu pora. Keramički materijali, staklo, metali, zeoliti, silicijum dioksid, legure paladijuma i dvodimenzionalni materijali korišćeni su u pripremi neorganskih membrana. Keramičke membrane se prave od metalnih oksida i njihovih derivata, kao što su TiO₂, SiO₂, ZrO₂ i Al₂O₃.

Hibridne matrične membrane
Hibridne matrične membrane kombinuju obradivost polimera u rastvoru sa odličnom propusnošću aditiva nanopunila, sa ciljem da istovremeno poboljšaju propusnost i selektivnost. Uobičajeni aditivi uključuju:

• MOFs: Kada je MOF NH₂-MIL-125(Ti) ugrađen u količini od 0,010 tež.%, propusnost vode dostiže 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a stopa odbacivanja Ni²⁺ je 90,9%.
• COF: Nakon ugradnje hidrofilnih triazinskih-COF-ova, protok vode dostiže 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a stope odbacivanja Zn²⁺ i Pb²⁺ su 93,8% odnosno 92,4%.
• GO (dvodimenzionalni materijal): Nakon ugradnje hitozana u GO, protok vode dostiže 55 L·m⁻²·h⁻¹, a stopa odbacivanja Mn²⁺ je 85%.
• ZnO nanočestice: Poboljšavaju hidrofilnost membrane, smanjuju hrapavost površine i poboljšavaju svojstva protiv obraštanja.

Metoda inverzije faze

Ova metoda, koju su Loeb i Sourajan prvi uveli u tehnologiju membrana 1960. godine, omogućava proizvodnju selektivnih i potpornih slojeva u jednom-korak. Mikrostruktura membrane može se kontrolisati podešavanjem koncentracije polimera, tipa kupke otapala i koagulacije, aditiva i uslova okoline. na primjer:

• PPSU membrana dopirana cGO-: Vodopropusnost povećana sa 2,1 na 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, sa stopama odbacivanja od 99%, 98%, 82%, 82% i 87% za H₂AsO₄, HCrO₄⁻, CrO₄⁻, P², C2 Zn²⁺, respektivno.
• CS-EDTA-mGO/PES membrana (potpomognuta magnetnim poljem): Vodeni tok je dostigao 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ stopa odbacivanja 98,2%, Cd²⁺ stopa odbacivanja 93,6%
• B-Cur nanočestice/PES membrana: Stope odbijanja prelaze 99% za Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺

Metoda međufazne polimerizacije

Interfacijalna polimerizacija je jedna od najčešće korištenih tehnika pripreme nanofiltracijskih membrana. Uključuje uranjanje supstratne membrane u vodeni rastvor koji sadrži aminske monomere, nakon čega se dovodi u kontakt sa organskim rastvorom koji sadrži monomere acil hlorida, formirajući ultratanki poliamidni sloj na interfejsu. Obično korišteni monomeri su piperazin i trimezoil hlorid.

• COF nanočestica{0}}dopirane poliamidne membrane: Vodopropusnost povećana za 67% (na 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), sa stopama odbacivanja Cu²⁺, Mn²⁺ i Pb²⁺ od 98,3%, odnosno 991,4%, respektivno 98,9%, respektivno,
• Učešće BHDA komonomera u interfacijskoj polimerizaciji: Protok vode se povećao za 2,4 puta (na 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), sa stopama odbijanja Cu²⁺, Zn²⁺ i Pb²⁺ od 96,5%, 96,2%, odnosno 88,4%, respektivno 96,2%, odnosno 88,4%.
• Nisko{0}}međufazna polimerizacija (-15 stepeni): Debljina membrane je smanjena, a tok vode je dostigao 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, stope zadržavanja za Mn²⁺, Cd²⁺ i Cu²⁺ bile su 97,9%, 87,7% i 93,9%, respektivno.

Metoda premazivanja potapanjem

Metoda-premazanja je jednostavna za rukovanje, ekonomična, efikasna, bez otpada-i energetski{2}efikasna. Podloga se uranja u rastvor aktivnog materijala i ostavlja da odstoji neko vreme, a zatim se povlači konstantnom brzinom, dozvoljavajući rastvaraču da ispari i formira film.

• Pozitivno nabijena poprečno-povezana PEI membrana (keramička podloga): protok vode je povećan sa 32 na 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, sa stopama odbijanja od 99,8% za Cu²⁺, 96,8% za As⁵⁶⁶⁶, i Cr⁵⁶⁶
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% za Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ pre-kompleksirana membrana: tok vode 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, stope zadržavanja za Zn²⁺, Ni²⁺ i Cd²⁺ su bile 91,8%, 83,2%, odnosno 75,6%.

Modifikacija/funkcionalizacija površine

Modifikacija površine može konstruisati ultratanke slojeve na površini nanofiltracione membrane, istovremeno poboljšavajući selektivnost i propusnost.

• Triethanolamine-grafted PEI/TMC membrane: Water flux increased by 2 times (to 13.6 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), with a rejection rate of >97% za Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ i Cu²⁺, i stopa odbacivanja od 92% za Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs modificirana PES membrana: protok vode povećan sa 4,25 na 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% za Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.

Tehnologija nanofiltracionih membrana je napravila značajan napredak u oblasti uklanjanja jona teških metala. Racionalnim odabirom membranskih materijala i procesa pripreme, mikrostruktura nanofiltracijskih membrana može se kontrolisati, značajno poboljšavajući protok vode i stope odbacivanja jona teških metala.

Smjerovi budućeg razvoja:

• Ionska selektivnost: U stvarno-zagađenoj vodi više metalnih jona koegzistira. Neophodno je razviti nanofiltracione membrane sposobne da selektivno zadržavaju specifične ione metala kako bi se postigli dvostruki ciljevi prečišćavanja vode i obnavljanja metala.
• Stabilnost membrane: Trenutna istraživanja imaju kratke cikluse testiranja, a performanse većine membrana se vremenom pogoršavaju. Dalje unakrsno-povezivanje ili uvođenje stabilnih neorganskih nanočestica je potrebno da bi se poboljšala stabilnost membrane.
• Performanse protiv obraštanja: Onečišćenje membrane je uobičajen izazov u membranskoj tehnologiji. Površinski inženjering (kao što je izgradnja pozitivno nabijenih površina za formiranje slojeva vode) je potreban da bi se ublažila ili spriječila adsorpcija zagađivača.
• Način rada: Većina studija koristi{0}}filtraciju s mrtve tačke, zanemarujući problem adsorpcije jona metala unutar membrane. Industrijske primjene zahtijevaju unakrsni{2}}način rada, a više pažnje treba posvetiti dugoročnim-performansama membrana u ovom načinu rada.