Aké výkonné sú nanofiltračné membrány na odstraňovanie ťažkých kovov?

Úprava vody kontaminovanej ťažkými kovmi je horúcou témou v oblasti životného prostredia. Nedávny prehľad systematicky sumarizuje pokrok vo výskume nanofiltračných membrán pri odstraňovaní iónov ťažkých kovov a odhaľuje, že vďaka inovácii materiálov a optimalizácii procesu sa môže prietok vody nanofiltračnej membrány zvýšiť viac ako 3-krát a rýchlosť odstraňovania rôznych iónov ťažkých kovov, ako sú Cu²⁺, Pb²⁺ a Cd²⁺, môže dosiahnuť viac ako 99%, čo poskytuje efektívne a udržateľné riešenie na úpravu vody.

Globálna kríza nedostatku sladkej vody ohrozuje životy viac ako 1,8 miliardy ľudí. Tento problém má dva hlavné dôvody: po prvé, morská voda predstavuje veľkú väčšinu globálnych vodných zdrojov, zatiaľ čo množstvo využiteľnej sladkej vody je obmedzené; po druhé, vypúšťanie odpadových vôd vedie k čoraz vážnejšiemu znečisteniu sladkej vody. Hoci technológia odsoľovania morskej vody zaznamenala v posledných rokoch významný pokrok, nadmerné ióny ťažkých kovov (ako napríklad Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ atď.) v odpadovej vode môžu kontaminovať odsolenú vodu a dokonca spôsobiť toxicitu v ľudskom tele.

Preto je vývoj technológií na účinné odstraňovanie stopových množstiev toxických ťažkých kovov zo znečistenej vody obzvlášť dôležitý, pretože sa tým môžu súčasne dosiahnuť dva ciele: získanie väčšieho množstva sladkej vody a obnova cenných zdrojov.

Nanofiltračné membrány majú veľkosť pórov medzi 0,5-2 nm, spadajúce medzi ultrafiltračné membrány (10-100 nm, vysoký tok, ale nízka odmietnutie) a membrány s reverznou osmózou (vysoké odmietnutie, ale nízky tok, vysoká spotreba energie). Nanofiltračné membrány dokážu účinne zadržiavať ióny ťažkých kovov a zároveň poskytujú transportné kanály pre molekuly vody cez nanopóry, čo z nich robí špičkovú technológiu na čistenie odpadových vôd kontaminovaných ťažkými kovmi.

Separačné mechanizmy:

Veľkosť skríningu: Na základe rozdielu v polomere medzi zadržanými a permeovanými materiálmi. Veľkosti pórov nanofiltračnej membrány sú väčšie ako priemer molekúl vody (0,4 nm), ale sú porovnateľné s priemerom hydratovaných iónov ťažkých kovov, čo umožňuje efektívnu separáciu úpravou veľkosti pórov.

Donnanovo odpudzovanie: Založené na elektrostatickom odpudzovaní medzi iónmi a nabitým povrchom membrány. Ióny ťažkých kovov sú zvyčajne kladne nabité, preto je kladne nabitý povrch membrány vhodnejší na zadržiavanie iónov znečisťujúcich látok.

Okrem toho pH napájacieho roztoku významne ovplyvňuje výkon membrány: na jednej strane mení povrchový náboj a stupeň zosieťovania polymérnej siete, čím ovplyvňuje rýchlosť odmietnutia a priepustnosť; na druhej strane ovplyvňuje stav kovových iónov.

Organické membrány

Organické membrány sa typicky pripravujú s použitím polymérnych materiálov, ako je polysulfón, acetát celulózy, polyvinylidénfluorid, polyétersulfón, polydimetylsiloxán, polyetylén, polykarbonát a polyimid. Medzi nimi je polyamid najrozšírenejším materiálom pri príprave nanofiltračnej membrány, ktorý vykazuje vynikajúci výkon pri odsoľovaní morskej vody.

Anorganické membrány

Anorganické membrány majú vynikajúcu chemickú a tepelnú stabilitu a môžu vytvárať jednotnú štruktúru pórov. Na prípravu anorganických membrán sa používajú keramické materiály, sklo, kovy, zeolity, oxid kremičitý, zliatiny paládia a dvojrozmerné materiály. Keramické membrány sú vyrobené z oxidov kovov a ich derivátov, ako je Ti02, Si02, Zr02 a Al203.

Hybridné matricové membrány
Hybridné matricové membrány kombinujú roztokovú spracovateľnosť polymérov s vynikajúcou permeabilitou nanoplnivových aditív s cieľom súčasne zlepšiť permeabilitu a selektivitu. Medzi bežne používané aditíva patria:

• MOFs: Keď je MOF NH2-MIL-125(Ti) začlenený v množstve 0,010 % hmotn., priepustnosť vody dosiahne 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ a miera odmietnutia Ni2⁺ je 90,9 %.
• COFs: Po začlenení hydrofilných triazínových-COFs dosiahne prietok vody 15 l·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ a miera odmietnutia Zn²⁺ a Pb²⁺ je 93,8 % a 92,4 %.
• GO (dvojrozmerný materiál): Po začlenení chitosanu do GO dosiahne prietok vody 55 L·m⁻²·h⁻¹ a miera odmietnutia Mn²⁺ je 85 %.
• Nanočastice ZnO: Zlepšujú hydrofilnosť membrány, znižujú drsnosť povrchu a zlepšujú vlastnosti proti znečisteniu.

Metóda fázovej inverzie

Táto metóda, ktorú prvýkrát zaviedli do membránovej technológie Loeb a Sourajan v roku 1960, umožňuje výrobu selektívnych a podporných vrstiev v jednom kroku. Mikroštruktúru membrány možno regulovať úpravou koncentrácie polyméru, typu rozpúšťadla a koagulačného kúpeľa, prísad a podmienok prostredia. Napríklad:

• PPSU membrána dopovaná cGO-: Priepustnosť vody sa zvýšila z 2,1 na 3,5 l·m⁻²·h⁻¹, s mierou odmietnutia 99 %, 98 %, 82 %, 82 % a 87 % pre H2AsO₄, HCrO₄⁻, C, C⁻ Zn²⁺, resp.
• Membrána CS-EDTA-mGO/PES (pomocou magnetického poľa): prietok vody dosiahol 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, miera odmietnutia Pb²⁺ 98,2 %, miera odmietnutia Cd²⁺ 93,6 %
• B-Membrána nanočastíc Cur/PES: Miera odmietnutia presahujúca 99 % pre Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ a Ni²⁺

Metóda medzifázovej polymerizácie

Medzifázová polymerizácia je jednou z najpoužívanejších techník prípravy nanofiltračnej membrány. Zahŕňa ponorenie substrátovej membrány do vodného roztoku obsahujúceho amínové monoméry, po ktorom nasleduje kontakt s organickým roztokom obsahujúcim acylchloridové monoméry, čím sa na rozhraní vytvorí ultratenká polyamidová vrstva. Bežne používané monoméry sú piperazín a trimesoylchlorid.

• Polyamidové membrány dopované nanočasticami- COF: Priepustnosť vody sa zvýšila o 67 % (na 10,8 l·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), pričom miera odmietnutia Cu²⁺, Mn²⁺ a Pb²⁺ bola 98,3 %, respektíve 991,9 %,
• Účasť BHDA komonoméru na medzifázovej polymerizácii: Tok vody sa zvýšil 2,4-krát (na 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), s mierami odmietnutia Cu2+, Zn2+ a Pb2+ 96,5 %, 96,2 % a 88,4 %.
• Nízko{0}}teplotná medzifázová polymerizácia (-15 stupňov): Hrúbka membrány sa znížila a prietok vody dosiahol 19,2. L·m⁻2·h⁻1·bar⁻1, miery retencie pre Mn2+, Cd2+ a Cu2+ boli 97,9 %, 87,7 % a 93,9 %.

Metóda namáčania-

Metóda ponárania-je jednoduchá na obsluhu, je ekonomická, efektívna,{1}}bezodpadová a energeticky-účinná. Substrát sa ponorí do roztoku aktívneho materiálu a nechá sa stáť po určitú dobu, potom sa vytiahne konštantnou rýchlosťou, čím sa umožní odparenie rozpúšťadla a vytvorenie filmu.

• Pozitívne nabitá zosieťovaná PEI membrána (keramický substrát): Tok vody sa zvýšil z 32 na 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, s mierou odmietnutia 99,8 % pre Cu²⁺, 96,8 % pre As⁵⁺ a 97,2 % pre Cr
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % pre Cd2⁺, Pb2⁺, Zn2⁺ a Ni2⁺.
• PEI/Cu²⁺ pre-komplexovaná membrána: Vodný tok 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, miera retencie pre Zn2⁺, Ni2⁺ a Cd2⁺ bola 91,8 %, 83,2 % a 75,6 %.

Úprava/funkcionalizácia povrchu

Modifikácia povrchu môže vytvoriť ultratenké vrstvy na povrchu nanofiltračnej membrány a súčasne zlepšiť selektivitu a priepustnosť.

• 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 % pre Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ a Cu²⁺ a miera odmietnutia 92 % pre Pb²⁺.
• CNFs-co{1}}Cs modifikovaná PES membrána: prietok vody sa zvýšil zo 4,25 na 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95 % pre Cd2⁺, Pb2⁺, Cu2⁺, Zn2⁺ a Ni2⁺.

Technológia nanofiltračnej membrány zaznamenala významný pokrok v oblasti odstraňovania iónov ťažkých kovov. Racionálnym výberom membránových materiálov a procesov prípravy je možné kontrolovať mikroštruktúru nanofiltračných membrán, čím sa výrazne zlepšuje prietok vody a rýchlosť odmietnutia iónov ťažkých kovov.

Smery budúceho vývoja:

• Iónová selektivita: V skutočnom-svete znečistenej vody koexistuje viacero kovových iónov. Je potrebné vyvinúť nanofiltračné membrány schopné selektívne zadržiavať špecifické kovové ióny, aby sa dosiahli dvojité ciele čistenia vody a regenerácie kovov.
• Stabilita membrán: Súčasný výskum má krátke testovacie cykly a výkonnosť väčšiny membrán sa časom zhoršuje. Na zlepšenie stability membrány je potrebné ďalšie krížové{1}}prepojenie alebo zavedenie stabilných anorganických nanočastíc.
• Účinnosť proti znečisteniu: Zanášanie membrán je bežnou výzvou v technológii membrán. Povrchové inžinierstvo (ako je konštrukcia kladne nabitých povrchov na vytvorenie vodných vrstiev) je potrebné na zmiernenie alebo zabránenie adsorpcii znečisťujúcich látok.
• Prevádzkový režim: Väčšina štúdií využíva slepú{0}}filtráciu, pričom zanedbáva problém adsorpcie kovových iónov v membráne. Priemyselné aplikácie vyžadujú prevádzkové režimy s krížovým{2}}prúdom a v tomto režime by sa mala venovať väčšia pozornosť-dlhodobému výkonu membrán.