Kokios galingos yra nanofiltravimo membranos, skirtos sunkiųjų metalų pašalinimui?

Sunkiaisiais metalais užteršto vandens valymas yra aktuali tema aplinkosaugos srityje. Neseniai atlikta apžvalga sistemingai apibendrina nanofiltravimo membranų tyrimų pažangą šalinant sunkiųjų metalų jonus, atskleidžiant, kad naudojant medžiagų naujoves ir proceso optimizavimą nanofiltravimo membranos vandens srautas gali būti padidintas daugiau nei 3 kartus, o įvairių sunkiųjų metalų jonų, tokių kaip Cu²⁺, Pb²⁺ ir Cd²⁺, pašalinimo greitis gali siekti daugiau nei 99 % vandens valymo efektyvumo ir tvaraus sprendimo.

Pasaulinė gėlo vandens trūkumo krizė kelia grėsmę daugiau nei 1,8 mlrd. žmonių gyvybėms. Yra dvi pagrindinės šios keblios padėties priežastys: pirma, jūros vanduo sudaro didžiąją dalį pasaulio vandens išteklių, o naudojamo gėlo vandens kiekis yra ribotas; antra, nuotekų išleidimas sukelia vis didesnę gėlo vandens taršą. Nors jūros vandens gėlinimo technologija pastaraisiais metais padarė didelę pažangą, pertekliniai sunkiųjų metalų jonai (pvz., Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ ir kt.) nuotekose gali užteršti gėlintą vandenį ir netgi sukelti žmogaus organizmo mirtį.

Todėl ypač svarbu kurti technologijas, leidžiančias efektyviai pašalinti toksiškų sunkiųjų metalų pėdsakus iš užteršto vandens, nes taip vienu metu galima pasiekti du tikslus: gauti daugiau gėlo vandens ir atgauti vertingus išteklius.

Nanofiltravimo membranų porų dydis yra tarp 0,5-2 nm, patenkančių tarp ultrafiltravimo membranų (10-100 nm, didelis srautas, bet mažas atmetimas) ir atvirkštinio osmoso membranų (didelis atmetimas, bet mažas srautas, didelis energijos suvartojimas). Nanofiltracinės membranos gali veiksmingai sulaikyti sunkiųjų metalų jonus, kartu suteikdamos vandens molekulių transportavimo kanalus per nanoporas, todėl jos yra pažangiausia technologija, skirta sunkiaisiais metalais užterštų nuotekų valymui.

Atskyrimo mechanizmai:

Dydžio atranka: remiantis spindulių skirtumu tarp sulaikytų ir prasiskverbiančių medžiagų. Nanofiltracinės membranos porų dydžiai yra didesni nei vandens molekulių skersmuo (0,4 nm), tačiau palyginami su hidratuotų sunkiųjų metalų jonų skersmeniu, todėl galima efektyviai atskirti koreguojant porų dydį.

Donnano atstūmimas: pagrįstas elektrostatiniu atstūmimu tarp jonų ir įkrautos membranos paviršiaus. Sunkiųjų metalų jonai paprastai yra teigiamai įkrauti, todėl teigiamai įkrautas membranos paviršius yra palankesnis teršalų jonams išlaikyti.

Be to, tiekiamo tirpalo pH labai veikia membranos veikimą: viena vertus, jis pakeičia polimero tinklo paviršiaus krūvį ir kryžminio -jungimo laipsnį, taip paveikdamas atmetimo greitį ir pralaidumą; kita vertus, tai turi įtakos metalo jonų būklei.

Organinės membranos

Organinės membranos paprastai gaminamos naudojant polimerines medžiagas, tokias kaip polisulfonas, celiuliozės acetatas, polivinilideno fluoridas, polietersulfonas, polidimetilsiloksanas, polietilenas, polikarbonatas ir poliimidas. Tarp jų poliamidas yra plačiausiai naudojama nanofiltravimo membranos paruošimo medžiaga, pasižyminti puikiomis jūros vandens gėlinimo savybėmis.

Neorganinės membranos

Neorganinės membranos pasižymi puikiu cheminiu ir terminiu stabilumu ir gali sudaryti vienodą porų struktūrą. Gaminant neorganines membranas buvo naudojamos keraminės medžiagos, stiklas, metalai, ceolitai, silicio dioksidas, paladžio lydiniai ir dvimatės medžiagos. Keraminės membranos gaminamos iš metalų oksidų ir jų darinių, tokių kaip TiO₂, SiO₂, ZrO₂ ir Al2O3.

Hibridinės matricos membranos
Hibridinės matricos membranos sujungia polimerų tirpalą ir puikų nanoužpildo priedų pralaidumą, taip siekdamos tuo pačiu pagerinti pralaidumą ir selektyvumą. Dažniausiai naudojami priedai:

• MOF: kai MOF NH₂-MIL-125(Ti) yra 0,010 masės %, vandens pralaidumas pasiekia 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, o Ni²⁺ atmetimo koeficientas yra 90,9 %.
• COF: įtraukus hidrofilinius triazino-COF, vandens srautas pasiekia 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, o Zn²⁺ ir Pb²⁺ atmetimo rodikliai yra atitinkamai 93,8 % ir 92,4 %.
• GO (dvimatė medžiaga): į GO įtraukus chitozaną, vandens srautas pasiekia 55 L·m⁻²·h⁻¹, o Mn²⁺ atmetimo koeficientas yra 85 %.
• ZnO nanodalelės: pagerina membranos hidrofiliškumą, sumažina paviršiaus šiurkštumą ir pagerina antipuvimo savybes.

Fazių inversijos metodas

Šis metodas, kurį 1960 m. Loebas ir Sourajanas pirmą kartą pristatė membranų technologijoms, leidžia vienu{1}}veiksmu pagaminti atrankinį ir atraminį sluoksnius. Membranos mikrostruktūrą galima valdyti reguliuojant polimero koncentraciją, tirpiklio ir koaguliacijos vonios tipą, priedus ir aplinkos sąlygas. Pavyzdžiui:

• cGO-legiruota PPSU membrana: vandens pralaidumas padidėjo nuo 2,1 iki 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, atmetimo rodikliai 99%, 98%, 82%, 82% ir 87% H2AsO4, HCrO₄⁺, 2+21+, C,221+, P atitinkamai.
• CS-EDTA-mGO/PES membrana (magnetinio lauko pagalba): vandens srautas pasiekė 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ atmetimo koeficientas 98,2 %, Cd²⁺ atmetimo koeficientas 93,6 %
• B-Sukietėjusios nanodalelės / PES membrana: Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ ir Ni²⁺ atmetimo rodikliai viršija 99 %

Sąsajinės polimerizacijos metodas

Sąsajos polimerizacija yra vienas iš plačiausiai naudojamų nanofiltravimo membranų paruošimo būdų. Tai apima substrato membranos panardinimą į vandeninį tirpalą, kuriame yra aminų monomerų, po to kontaktuojant su organiniu tirpalu, kuriame yra acilchlorido monomerų, taip susidarant itin plonam poliamido sluoksniui sąsajoje. Dažniausiai naudojami monomerai yra piperazinas ir trimezoilo chloridas.

• COF nanodalelių -legiruotos poliamidinės membranos: vandens pralaidumas padidėjo 67 % (iki 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), o Cu²⁺, Mn²⁺ ir Pb²⁺ atmetimo rodikliai buvo atitinkamai 98,3 % ir 991,4 %.
• BHDA komonomero dalyvavimas tarpfazinėje polimerizacijoje: vandens srautas padidėjo 2,4 karto (iki 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), o Cu²⁺, Zn²⁺ ir Pb²⁺ atmetimo rodikliai buvo atitinkamai 96,5%, 96,2% ir 88,4%.
• Žemos-temperatūros paviršinė polimerizacija (-15 laipsnių): membranos storis sumažėjo, o vandens srautas pasiekė 19,2. L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻¹, Mn2+, Cd2+ ir Cu2+ sulaikymo rodikliai buvo atitinkamai 97,9%, 87,7% ir 93,9%.

Panardinimo{0}}dengimo metodas

Panardinimo-dengimo metodas yra paprastas naudoti, ekonomiškas, efektyvus, nenaudojantis atliekų-ir taupantis energiją. Substratas panardinamas į aktyviosios medžiagos tirpalą ir paliekamas tam tikrą laiką pastovėti, tada pastoviu greičiu traukiamas aukštyn, leidžiant tirpikliui išgaruoti ir suformuoti plėvelę.

• Teigiamai įkrauta kryžminė -susieta PEI membrana (keraminis substratas): vandens srautas padidėjo nuo 32 iki 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, atmetimo koeficientas Cu²⁺ yra 99,8 %, As⁵⁺⁺ ir 97,8 % Cr.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ ir Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ iš anksto-sudėtinga membrana: vandens srautas 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Zn²⁺, Ni²⁺ ir Cd²⁺ sulaikymo rodikliai buvo atitinkamai 91,8 %, 83,2 % ir 75,6 %.

Paviršiaus modifikavimas/funkcionalizavimas

Paviršiaus modifikavimas gali sukurti itin plonus sluoksnius ant nanofiltracijos membranos paviršiaus, tuo pačiu pagerindamas selektyvumą ir pralaidumą.

• 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 % Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ ir Cu²⁺ ir 92 % Pb²⁺ atmetimo koeficientas.
• CNFs-co-Cs modifikuota PES membrana: vandens srautas padidėjo nuo 4,25 iki 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95 % Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ ir Ni²⁺.

Nanofiltracinės membranos technologija padarė didelę pažangą sunkiųjų metalų jonų šalinimo srityje. Racionaliai parenkant membranines medžiagas ir paruošimo procesus, galima kontroliuoti nanofiltravimo membranų mikrostruktūrą, žymiai pagerinant vandens srautą ir sunkiųjų metalų jonų atmetimo greitį.

Ateities plėtros kryptys:

• Jonų selektyvumas: realiame{0}}pasaulio užterštame vandenyje kartu egzistuoja keli metalų jonai. Būtina sukurti nanofiltravimo membranas, galinčias selektyviai sulaikyti specifinius metalo jonus, kad būtų pasiekti dvigubi vandens valymo ir metalo regeneravimo tikslai.
• Membranos stabilumas: dabartiniai tyrimai turi trumpus testavimo ciklus, o daugumos membranų veikimas laikui bėgant blogėja. Norint pagerinti membranos stabilumą, reikalingas tolesnis kryžminis sujungimas arba stabilių neorganinių nanodalelių įvedimas.
• Apsauga nuo užsiteršimo: membranos užteršimas yra dažnas membranos technologijos iššūkis. Paviršiaus inžinerija (pvz., Teigiamai įkrautų paviršių kūrimas, kad susidarytų vandens sluoksniai) reikalinga teršalų adsorbcijai sušvelninti arba jos išvengti.
• Veikimo režimas: daugumoje tyrimų naudojamas aklavietės{0}filtravimas, neatsižvelgiant į metalo jonų adsorbciją membranoje. Pramoninėms reikmėms reikalingi kryžminio srauto veikimo režimai, todėl daugiau dėmesio reikėtų skirti ilgalaikiam-membranų veikimui šiuo režimu.