Πόσο ισχυρές είναι οι μεμβράνες νανοδιήθησης για την αφαίρεση βαρέων μετάλλων;

Η επεξεργασία μολυσμένου νερού με βαρέα μέταλλα είναι ένα καυτό θέμα στον περιβαλλοντικό τομέα. Μια πρόσφατη ανασκόπηση συνοψίζει συστηματικά την ερευνητική πρόοδο των μεμβρανών νανοδιήθησης στην απομάκρυνση ιόντων βαρέων μετάλλων, αποκαλύπτοντας ότι μέσω της καινοτομίας υλικών και της βελτιστοποίησης της διαδικασίας, η ροή νερού μεμβράνης νανοδιήθησης μπορεί να αυξηθεί περισσότερο από 3 φορές και ο ρυθμός απομάκρυνσης διάφορων ιόντων βαρέων μετάλλων όπως Cu²+, Pb2+, και μπορεί να φτάσει σε μια αποτελεσματική επεξεργασία νερού πάνω από 9 και 9.

Η παγκόσμια κρίση έλλειψης γλυκού νερού απειλεί τις ζωές περισσότερων από 1,8 δισεκατομμυρίων ανθρώπων. Υπάρχουν δύο βασικοί λόγοι για αυτή τη δύσκολη θέση: πρώτον, το θαλασσινό νερό αποτελεί τη συντριπτική πλειονότητα των παγκόσμιων υδάτινων πόρων, ενώ η ποσότητα του χρησιμοποιήσιμου γλυκού νερού είναι περιορισμένη. Δεύτερον, η απόρριψη των λυμάτων οδηγεί σε ολοένα και πιο σοβαρή ρύπανση των γλυκών υδάτων. Αν και η τεχνολογία αφαλάτωσης θαλασσινού νερού έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο τα τελευταία χρόνια, τα υπερβολικά ιόντα βαρέων μετάλλων (όπως Zn2+, Cu2+, Fe2+, Hg2+, Cd2+, Pb2+, Cr6+, κ.λπ.) στα λύματα μπορούν να μολύνουν το ανθρώπινο σώμα λόγω της αφαλάτωσης και την τοξικότητά τους.

Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη τεχνολογιών για την αποτελεσματική απομάκρυνση ιχνών τοξικών βαρέων μετάλλων από μολυσμένο νερό είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς αυτό μπορεί να επιτύχει ταυτόχρονα δύο στόχους: την απόκτηση περισσότερου γλυκού νερού και την ανάκτηση πολύτιμων πόρων.

Οι μεμβράνες νανοδιήθησης έχουν μεγέθη πόρων μεταξύ 0,5-2 nm, που πέφτουν μεταξύ μεμβρανών υπερδιήθησης (10{4}}100 nm, υψηλή ροή αλλά χαμηλή απόρριψη) και μεμβρανών αντίστροφης όσμωσης (υψηλή απόρριψη αλλά χαμηλή ροή, υψηλή κατανάλωση ενέργειας). Οι μεμβράνες νανοδιήθησης μπορούν να συγκρατήσουν αποτελεσματικά ιόντα βαρέων μετάλλων, ενώ παρέχουν κανάλια μεταφοράς για μόρια νερού μέσω νανοπόρους, καθιστώντας τες μια τεχνολογία αιχμής για την επεξεργασία λυμάτων που έχουν μολυνθεί από βαρέα μέταλλα.

Μηχανισμοί Διαχωρισμού:

Μέγεθος Screening: Με βάση τη διαφορά ακτίνας μεταξύ των συγκρατούμενων και των διαπερασμένων υλικών. Τα μεγέθη πόρων της μεμβράνης νανοδιήθησης είναι μεγαλύτερα από τη διάμετρο των μορίων του νερού (0,4 nm), αλλά είναι συγκρίσιμα με τη διάμετρο των ενυδατωμένων ιόντων βαρέων μετάλλων, επιτρέποντας τον αποτελεσματικό διαχωρισμό προσαρμόζοντας το μέγεθος των πόρων.

Απώθηση Donnan: Βασίζεται στην ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των ιόντων και της φορτισμένης επιφάνειας της μεμβράνης. Τα ιόντα βαρέων μετάλλων είναι συνήθως θετικά φορτισμένα, επομένως μια θετικά φορτισμένη επιφάνεια μεμβράνης είναι πιο ευνοϊκή για τη συγκράτηση των ιόντων ρύπων.

Επιπλέον, το pH του διαλύματος τροφοδοσίας επηρεάζει σημαντικά την απόδοση της μεμβράνης: αφενός, μεταβάλλει το επιφανειακό φορτίο και τον βαθμό διασταυρούμενης-σύνδεσης του πολυμερούς δικτύου, επηρεάζοντας έτσι τον ρυθμό απόρριψης και τη διαπερατότητα. από την άλλη, επηρεάζει την κατάσταση των μεταλλικών ιόντων.

Οργανικές μεμβράνες

Οι οργανικές μεμβράνες τυπικά παρασκευάζονται χρησιμοποιώντας πολυμερή υλικά, όπως πολυσουλφόνη, οξική κυτταρίνη, φθοριούχο πολυβινυλιδένιο, πολυαιθεροσουλφόνη, πολυδιμεθυλσιλοξάνιο, πολυαιθυλένιο, πολυανθρακικό και πολυιμίδιο. Μεταξύ αυτών, το πολυαμίδιο είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό στην παρασκευή μεμβράνης νανοδιήθησης, παρουσιάζοντας εξαιρετική απόδοση στην αφαλάτωση του θαλασσινού νερού.

Ανόργανες μεμβράνες

Οι ανόργανες μεμβράνες διαθέτουν εξαιρετική χημική και θερμική σταθερότητα και μπορούν να σχηματίσουν μια ομοιόμορφη δομή πόρων. Κεραμικά υλικά, γυαλί, μέταλλα, ζεόλιθοι, πυρίτιο, κράματα παλλαδίου και δισδιάστατα υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή ανόργανων μεμβρανών. Οι κεραμικές μεμβράνες κατασκευάζονται από οξείδια μετάλλων και τα παράγωγά τους, όπως TiO2, SiO2, ZrO2 και Al2O3.

Υβριδικές Μεμβράνες Matrix
Οι μεμβράνες υβριδικής μήτρας συνδυάζουν την ικανότητα επεξεργασίας διαλύματος των πολυμερών με την εξαιρετική διαπερατότητα των πρόσθετων νανοπληρωμάτων, με στόχο τη βελτίωση της διαπερατότητας και της επιλεκτικότητας ταυτόχρονα. Τα κοινά χρησιμοποιούμενα πρόσθετα περιλαμβάνουν:

• MOFs: Όταν το MOF NH2-MIL-125(Ti) ενσωματώνεται σε 0,010 wt%, η διαπερατότητα νερού φτάνει τα 12,2 L·m-2·h-1·bar-1, και ο ρυθμός απόρριψης Ni2+ είναι 90,9%.
• COF: Μετά την ενσωμάτωση υδρόφιλων τριαζίνης-COF, η ροή νερού φτάνει τα 15 L·m-2·h-1·bar-1, και τα ποσοστά απόρριψης Zn2+ και Pb2+ είναι 93,8% και 92,4%, αντίστοιχα.
• GO (-δισδιάστατο υλικό): Μετά την ενσωμάτωση της χιτοζάνης στο GO, η ροή νερού φτάνει τα 55 L·m-2·h-1 και ο ρυθμός απόρριψης Mn2+ είναι 85%.
• Νανοσωματίδια ZnO: Βελτιώνουν την υδροφιλία της μεμβράνης, μειώνουν την τραχύτητα της επιφάνειας και ενισχύουν τις αντιρρυπαντικές ιδιότητες.

Μέθοδος Αντιστροφής Φάσης

Αυτή η μέθοδος, που εισήχθη για πρώτη φορά στην τεχνολογία μεμβράνης από τους Loeb και Sourajan το 1960, επιτρέπει την κατασκευή- ενός σταδίου των επιλεκτικών και υποστηρικτικών στρωμάτων. Η μικροδομή της μεμβράνης μπορεί να ελεγχθεί με ρύθμιση της συγκέντρωσης του πολυμερούς, του τύπου λουτρού διαλύτη και πήξης, των προσθέτων και των περιβαλλοντικών συνθηκών. Για παράδειγμα:

• Μεμβράνη PPSU με πρόσμιξη cGO-: Η διαπερατότητα νερού αυξήθηκε από 2,1 σε 3,5 L·m-2·h-1, με ποσοστά απόρριψης 99%, 98%, 82%, 82% και 87% για H2AsO4, HCrO4, 2-db Zn2⁺, αντίστοιχα.
• Μεμβράνη CS-EDTA-mGO/PES (υποβοηθούμενη από μαγνητικό πεδίο): Η ροή νερού έφτασε το 84,2. L·m-2·h-1, ποσοστό απόρριψης Pb2+ 98,2%, ποσοστό απόρριψης Cd2+ 93,6%
• B-Μεμβράνη νανοσωματιδίου Cur/PES: Ποσοστά απόρριψης άνω του 99% για Fe2+, Cu²+, Pb2+, Mn2+, Zn2+ και Ni2+

Μέθοδος διεπαφής πολυμερισμού

Ο διεπιφανειακός πολυμερισμός είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές προετοιμασίας μεμβράνης νανοδιήθησης. Περιλαμβάνει τη βύθιση της μεμβράνης του υποστρώματος σε ένα υδατικό διάλυμα που περιέχει μονομερή αμίνης, που ακολουθείται από την επαφή της με ένα οργανικό διάλυμα που περιέχει μονομερή ακυλοχλωριδίου, σχηματίζοντας ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα πολυαμιδίου στη διεπιφάνεια. Τα μονομερή που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι η πιπεραζίνη και το τριμεσοϋλοχλωρίδιο.

• Μεμβράνες πολυαμιδίου με προσθήκη νανοσωματιδίων-COF: Η διαπερατότητα στο νερό αυξήθηκε κατά 67% (σε 10,8 L·m-2·h-1·bar-1), με ποσοστά απόρριψης Cu2+, Mn2+ και Pb2+ 98,4%, 98%, αντίστοιχα, 98,3%, και 98%, αντίστοιχα,
• Συμμετοχή συμμονομερών BHDA στον διεπιφανειακό πολυμερισμό: Η ροή νερού αυξήθηκε κατά 2,4 φορές (σε 12,9 L·m-2·h-1), με ποσοστά απόρριψης Cu2+, Zn2+ και Pb2+ 96,5%, 96,2% και 88,4%, αντίστοιχα.
• Πολυμερισμός διεπαφής σε χαμηλή-θερμοκρασία (-15 μοίρες): Το πάχος της μεμβράνης μειώθηκε και η ροή νερού έφτασε στο 19,2. L·m-2·h-1·bar-1, οι ρυθμοί κατακράτησης για Mn2+, Cd2+ και Cu2+ ήταν 97,9%, 87,7% και 93,9%, αντίστοιχα.

Μέθοδος επίστρωσης με εμβάπτιση-

Η μέθοδος επίστρωσης με εμβάπτιση-είναι απλή στη λειτουργία, οικονομική, αποδοτική,-χωρίς απόβλητα και ενεργειακά-αποτελεσματική. Το υπόστρωμα βυθίζεται στο διάλυμα του ενεργού υλικού και αφήνεται να παραμείνει για ένα χρονικό διάστημα, στη συνέχεια τραβιέται με σταθερή ταχύτητα, επιτρέποντας στον διαλύτη να εξατμιστεί και να σχηματίσει ένα φιλμ.

• Θετικά φορτισμένη διασταυρούμενη-μεμβράνη PEI (κεραμικό υπόστρωμα): Η ροή νερού αυξήθηκε από 32 σε 82 L·m-2·h-1·bar-1, με ποσοστά απόρριψης 99,8% για Cu2+, 96,8% για As597+.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% για Cd2+, Pb2+, Zn2+ και Ni2+.
• Προ-συμπλεγμένη μεμβράνη PEI/Cu2+: Ροή νερού 8,1 L·m-2·h-1·bar-1, οι ρυθμοί κατακράτησης για Zn2+, Ni2+ και Cd2+ ήταν 91,8%, 83,2% και 75,2% αντίστοιχα.

Τροποποίηση/Λειτουργικότητα Επιφάνειας

Η τροποποίηση της επιφάνειας μπορεί να δημιουργήσει εξαιρετικά λεπτά στρώματα στην επιφάνεια της μεμβράνης νανοδιήθησης, βελτιώνοντας ταυτόχρονα την επιλεκτικότητα και τη διαπερατότητα.

• 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% για Zn2+, Cd2+, Ni2+ και Cu2+, και ποσοστό απόρριψης 92% για Pb2+.
• CNFs-co-Cs τροποποιημένη μεμβράνη PES: Η ροή νερού αυξήθηκε από 4,25 σε 13,58 L·m-²·h-1·bar-1
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% για Cd2+, Pb2+, Cu2+, Zn2+ και Ni2+.

Η τεχνολογία μεμβράνης νανοδιήθησης έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στον τομέα της αφαίρεσης ιόντων βαρέων μετάλλων. Με την ορθολογική επιλογή υλικών μεμβράνης και διαδικασιών παρασκευής, μπορεί να ελεγχθεί η μικροδομή των μεμβρανών νανοδιήθησης, βελτιώνοντας σημαντικά τη ροή νερού και τους ρυθμούς απόρριψης ιόντων βαρέων μετάλλων.

Οδηγίες Μελλοντικής Ανάπτυξης:

• Επιλεκτικότητα ιόντων: Σε πραγματικό-μολυσμένο νερό, συνυπάρχουν πολλαπλά μεταλλικά ιόντα. Είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν μεμβράνες νανοδιήθησης ικανές να συγκρατούν επιλεκτικά συγκεκριμένα μεταλλικά ιόντα για να επιτευχθούν οι διπλοί στόχοι του καθαρισμού του νερού και της ανάκτησης μετάλλων.
• Σταθερότητα μεμβράνης: Η τρέχουσα έρευνα έχει σύντομους κύκλους δοκιμών και η απόδοση των περισσότερων μεμβρανών επιδεινώνεται με την πάροδο του χρόνου. Απαιτείται περαιτέρω διασταύρωση-ή η εισαγωγή σταθερών ανόργανων νανοσωματιδίων για τη βελτίωση της σταθερότητας της μεμβράνης.
• Απόδοση κατά της ρύπανσης: Η ρύπανση των μεμβρανών είναι μια κοινή πρόκληση στην τεχνολογία των μεμβρανών. Η επιφανειακή μηχανική (όπως η κατασκευή θετικά φορτισμένων επιφανειών για το σχηματισμό στρωμάτων νερού) είναι απαραίτητη για τον μετριασμό ή την πρόληψη της προσρόφησης ρύπων.
• Τρόπος λειτουργίας: Οι περισσότερες μελέτες χρησιμοποιούν αδιέξοδο-διήθηση, παραβλέποντας το ζήτημα της προσρόφησης μεταλλικών ιόντων εντός της μεμβράνης. Οι βιομηχανικές εφαρμογές απαιτούν λειτουργίες πολλαπλής-ροής και θα πρέπει να δοθεί μεγαλύτερη προσοχή στη μακροπρόθεσμη-απόδοση των μεμβρανών σε αυτήν τη λειτουργία.