Kui võimsad on nanofiltratsioonimembraanid raskemetallide eemaldamiseks?

Raskmetallidega saastunud veepuhastus on keskkonnavaldkonnas kuum teema. Hiljutine ülevaade võtab süstemaatiliselt kokku nanofiltratsioonimembraanide uurimise edusammud raskmetallide ioonide eemaldamisel, tuues välja, et materjaliuuenduse ja protsessi optimeerimise abil saab nanofiltratsioonimembraani veevoogu suurendada rohkem kui 3 korda ning erinevate raskmetallide ioonide, nagu Cu²⁺, Pb²⁺ ja Cd²⁺, eemaldamise kiirus võib ulatuda üle 99% veetöötluse säästva lahenduseni.

Ülemaailmne mageveepuuduse kriis ohustab enam kui 1,8 miljardi inimese elu. Sellel keerulisel olukorral on kaks peamist põhjust: esiteks moodustab merevesi valdava enamuse maailma veevarudest, samas kui kasutatava magevee hulk on piiratud; teiseks põhjustab reovee väljavool üha tõsisemat magevee reostust. Kuigi merevee magestamise tehnoloogia on viimastel aastatel märkimisväärselt edasi arenenud, võivad reovees sisalduvad liigsed raskmetallide ioonid (nagu Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ jne) saastada magestatud vett ja põhjustada isegi inimkeha mürgistust.

Seetõttu on eriti oluline tehnoloogiate väljatöötamine mürgiste raskmetallide jälgede tõhusaks eemaldamiseks saastunud veest, kuna sellega saab üheaegselt saavutada kahte eesmärki: hankida rohkem magevett ja taastada väärtuslikke ressursse.

Nanofiltratsioonimembraanide pooride suurus jääb vahemikku 0,5-2 nm, jäädes ultrafiltreerimismembraanide (10-100 nm, suur voog, kuid madala hülgamisvõime) ja pöördosmoosi membraanide (kõrge hülgamisvõime, kuid väike voog, suur energiatarve) vahele. Nanofiltratsioonimembraanid suudavad tõhusalt säilitada raskmetalliioone, pakkudes samal ajal veemolekulidele transpordikanaleid nanopooride kaudu, muutes need tipptehnoloogiaks raskmetallidega saastunud reovee puhastamiseks.

Eraldamise mehhanismid:

Suuruse sõelumine: põhineb raadiuse erinevusel kinnipeetud ja läbistatud materjalide vahel. Nanofiltratsioonimembraani pooride suurus on suurem kui veemolekulide läbimõõt (0,4 nm), kuid võrreldav hüdraatunud raskmetalliioonide läbimõõduga, võimaldades pooride suuruse reguleerimise teel tõhusat eraldamist.

Donnani tõrjumine: põhineb elektrostaatilisel tõrjumisel ioonide ja laetud membraani pinna vahel. Raskmetallide ioonid on tavaliselt positiivselt laetud, seetõttu on positiivselt laetud membraani pind soodsam saasteainete ioonide säilitamiseks.

Lisaks mõjutab toitelahuse pH oluliselt membraani jõudlust: ühelt poolt muudab see pinnalaengu ja polümeeride võrgustiku ristsideme{0}}astet, mõjutades seega hülgamiskiirust ja läbilaskvust; teisalt mõjutab see metalliioonide olekut.

Orgaanilised membraanid

Orgaaniliste membraanide valmistamiseks kasutatakse tavaliselt polümeermaterjale, nagu polüsulfoon, tselluloosatsetaat, polüvinülideenfluoriid, polüeetersulfoon, polüdimetüülsiloksaan, polüetüleen, polükarbonaat ja polüimiid. Nende hulgas on polüamiid nanofiltratsioonimembraani valmistamisel kõige laialdasemalt kasutatav materjal, millel on suurepärane jõudlus merevee magestamises.

Anorgaanilised membraanid

Anorgaanilistel membraanidel on suurepärane keemiline ja termiline stabiilsus ning need võivad moodustada ühtlase pooride struktuuri. Anorgaaniliste membraanide valmistamisel on kasutatud keraamilisi materjale, klaasi, metalle, tseoliite, ränidioksiidi, pallaadiumisulameid ja kahe{1}}mõõtmelisi materjale. Keraamilised membraanid on valmistatud metallioksiididest ja nende derivaatidest, nagu TiO₂, SiO₂, ZrO₂ ja Al2O3.

Hübriidmaatriksmembraanid
Hübriidmaatriksmembraanid ühendavad polümeeride lahustamisel töödeldavuse nanotäitelisandite suurepärase läbilaskvusega, mille eesmärk on samaaegselt parandada läbilaskvust ja selektiivsust. Tavaliselt kasutatavad lisandid hõlmavad järgmist:

• MOF-id: kui MOF NH₂-MIL-125(Ti) on lisatud 0,010 massiprotsenti, saavutab vee läbilaskvus 12,2 L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻¹ ja Ni2⁺ hülgamismäär on 90,9%.
• COF-id: pärast hüdrofiilsete triasiini-COF-ide lisamist jõuab veevool 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ ning Zn²⁺ ja Pb²⁺ tagasilükkamise määr on vastavalt 93,8% ja 92,4%.
• GO (kahe{0}}mõõtmeline materjal): pärast kitosaani lisamist GO-sse jõuab veevoog 55 L·m⁻²·h⁻¹ ja Mn²⁺ hülgamismäär on 85%.
• ZnO nanoosakesed: parandavad membraani hüdrofiilsust, vähendavad pinna karedust ja parandavad saastumisvastaseid omadusi.

Faasi inversiooni meetod

See meetod, mille Loeb ja Sourajan tutvustasid membraanitehnoloogiasse esmakordselt 1960. aastal, võimaldab selektiiv- ja tugikihtide valmistamist ühes-etapis. Membraani mikrostruktuuri saab reguleerida polümeeri kontsentratsiooni, lahusti ja koagulatsioonivanni tüübi, lisandite ja keskkonnatingimuste reguleerimisega. Näiteks:

• cGO-legeeritud PPSU membraan: vee läbilaskvus suurenes 2,1-lt 3,5 L·m⁻²·h⁻¹-le, H2AsO4, HCrO₄⁺, P21⁺, P21+, C, 2+ ⁻⁺, C, 2+, d, 2,5 l, 98 %, 82 %, 82 % ja 87 %. vastavalt.
• CS-EDTA-mGO/PES membraan (magnetvälja abil): veevoog saavutas 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ tagasilükkamise määr 98,2%, Cd2+ tagasilükkamise määr 93,6%
• B-Kõlastunud nanoosakesed/PES-membraan: Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ ja Ni²⁺ hülgamismäär ületab 99%.

Liidese polümerisatsiooni meetod

Pindadevaheline polümerisatsioon on üks enim kasutatavaid nanofiltratsioonimembraanide valmistamise tehnikaid. See hõlmab substraadi membraani sukeldamist amiinmonomeere sisaldavasse vesilahusesse, millele järgneb selle kokkuviimine atsüülkloriidmonomeere sisaldava orgaanilise lahusega, moodustades liidesele üliõhukese polüamiidkihi. Tavaliselt kasutatavad monomeerid on piperasiin ja trimesoüülkloriid.

• COF-nanoosakestega -legeeritud polüamiidmembraanid: vee läbilaskvus suurenes 67% (10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), Cu²⁺, Mn²⁺ ja Pb²⁺ hülgamismäärad olid vastavalt 98,3%, 991,9%.
• BHDA komonomeeri osalus pindadevahelises polümerisatsioonis: vee voog suurenes 2,4 korda (12,9 L·m⁻2·h⁻¹), Cu2+, Zn2+ ja Pb2⁺ hülgamismäärad olid vastavalt 96,5%, 96,2% ja 88,4%.
• Madala -temperatuuri liidese polümerisatsioon (-15 kraadi): membraani paksus vähenes ja veevoog saavutas 19,2. L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻1, Mn2+, Cd2+ ja Cu2+ retentsioonimäärad olid vastavalt 97,9%, 87,7% ja 93,9%.

Kastmis{0}}katmismeetod

Kastmismeetodit on lihtne kasutada, ökonoomne, tõhus, jäätmevaba-ja energiasäästlik-. Substraat kastetakse aktiivaine lahusesse ja lastakse teatud aja seista, seejärel tõmmatakse konstantsel kiirusel üles, lastes lahustil aurustuda ja moodustada kile.

• Positiivselt laetud -ristseotud PEI membraan (keraamiline substraat): veevool suurenes 32-lt 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹-le, hülgamismäär Cu²⁺ puhul 99,8%, As⁵⁺⁺ 96,8% ja Cr.97⁶⁺ puhul 97,8%.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ ja Ni²⁺ puhul.
• PEI/Cu²⁺ eel-kompleksmembraan: vee voog 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Zn2⁺, Ni2⁺ ja Cd2⁺ retentsioonimäärad olid vastavalt 91,8%, 83,2% ja 75,6%.

Pinna muutmine/funktsionaliseerimine

Pinna modifitseerimine võib konstrueerida nanofiltratsioonimembraani pinnale üliõhukesed kihid, parandades samal ajal selektiivsust ja läbilaskvust.

• 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⁺ ja Cu²⁺ puhul ning tagasilükkamise määr 92% Pb²⁺ puhul.
• CNFs-co-Cs modifitseeritud PES-membraan: veevool suurenes 4,25-lt 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ ja Ni²⁺ puhul.

Nanofiltratsioonimembraanitehnoloogia on saavutanud märkimisväärseid edusamme raskmetallide ioonide eemaldamise valdkonnas. Membraanimaterjalide ja valmistamisprotsesside ratsionaalse valikuga saab kontrollida nanofiltratsioonimembraanide mikrostruktuuri, parandades oluliselt veevoogu ja raskmetalliioonide hülgamiskiirust.

Edasised arengusuunad:

• Ioonide selektiivsus: reaalses{0}}maailma saastunud vees eksisteerib koos mitu metalliiooni. Vee puhastamise ja metalli taaskasutamise kahe eesmärgi saavutamiseks on vaja välja töötada nanofiltratsioonimembraanid, mis suudavad selektiivselt säilitada spetsiifilisi metalliioone.
• Membraani stabiilsus: praegustel uuringutel on lühikesed testimistsüklid ja enamiku membraanide jõudlus aja jooksul halveneb. Membraani stabiilsuse parandamiseks on vaja täiendavat ristsidumist- või stabiilsete anorgaaniliste nanoosakeste sisseviimist.
• Saastumisvastane jõudlus: membraani saastumine on membraanitehnoloogias tavaline väljakutse. Saasteainete adsorptsiooni leevendamiseks või vältimiseks on vaja pinnatöötlust (nagu positiivselt laetud pindade ehitamine veekihtide moodustamiseks).
• Töörežiim: enamikus uuringutes kasutatakse ummik{0}}filtreerimist, jättes tähelepanuta metalliioonide adsorptsiooni membraanis. Tööstuslikud rakendused nõuavad rist-voolu töörežiime ja selles režiimis tuleks pöörata rohkem tähelepanu membraanide pikaajalisele-toimivusele.