Kako močne so nanofiltracijske membrane za odstranjevanje težkih kovin?

Čiščenje vode, onesnažene s težkimi kovinami, je vroča tema na okoljskem področju. Nedavni pregled sistematično povzema napredek raziskav nanofiltracijskih membran pri odstranjevanju ionov težkih kovin in razkriva, da je mogoče z inovacijami materialov in optimizacijo postopka vodni tok nanofiltracijske membrane povečati za več kot 3-krat, stopnja odstranjevanja različnih ionov težkih kovin, kot so Cu²⁺, Pb²⁺ in Cd²⁺, pa lahko doseže več kot 99 %, kar zagotavlja učinkovito in trajnostno rešitev za čiščenje vode.

Svetovna kriza pomanjkanja sladke vode ogroža življenja več kot 1,8 milijarde ljudi. Za to težavo sta dva glavna razloga: prvič, morska voda predstavlja veliko večino svetovnih vodnih virov, medtem ko je količina uporabne sladke vode omejena; drugič, odvajanje odpadne vode povzroča vse hujše onesnaženje sladke vode. Čeprav je tehnologija razsoljevanja morske vode v zadnjih letih močno napredovala, lahko prekomerni ioni težkih kovin (kot so Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ itd.) v odpadni vodi onesnažijo razsoljeno vodo in celo povzročijo smrt zaradi njihovega kopičenja in toksičnosti v človeškem telesu.

Zato je razvoj tehnologij za učinkovito odstranjevanje sledov strupenih težkih kovin iz onesnažene vode še posebej pomemben, saj lahko s tem hkrati dosežemo dva cilja: pridobivanje več sveže vode in pridobivanje dragocenih virov.

Nanofiltracijske membrane imajo velikosti por med 0,5-2 nm, ki spadajo med ultrafiltracijske membrane (10-100 nm, visok pretok, vendar nizka zavrnitev) in membrane za reverzno osmozo (visoka zavrnitev, vendar nizek pretok, visoka poraba energije). Nanofiltracijske membrane lahko učinkovito zadržijo ione težkih kovin, hkrati pa zagotavljajo transportne kanale za vodne molekule skozi nanopore, zaradi česar so vrhunska tehnologija za čiščenje odpadne vode, onesnažene s težkimi kovinami.

Mehanizmi ločevanja:

Preverjanje velikosti: Na podlagi razlike v polmeru med zadržanim in prežetim materialom. Velikosti por nanofiltracijske membrane so večje od premera vodnih molekul (0,4 nm), vendar primerljive s premerom hidriranih ionov težkih kovin, kar omogoča učinkovito ločevanje s prilagajanjem velikosti por.

Donnanov odboj: Temelji na elektrostatičnem odboju med ioni in naelektreno površino membrane. Ioni težkih kovin so običajno pozitivno nabiti, zato je pozitivno nabita površina membrane ugodnejša za zadrževanje ionov onesnaževal.

Poleg tega pH napajalne raztopine pomembno vpliva na delovanje membrane: po eni strani spremeni površinski naboj in stopnjo navzkrižne-povezave polimerne mreže, s čimer vpliva na stopnjo zavrnitve in prepustnost; po drugi strani pa vpliva na stanje kovinskih ionov.

Organske membrane

Organske membrane so običajno pripravljene z uporabo polimernih materialov, kot so polisulfon, celulozni acetat, poliviniliden fluorid, polietersulfon, polidimetilsiloksan, polietilen, polikarbonat in poliimid. Med temi je poliamid najpogosteje uporabljen material pri pripravi nanofiltracijskih membran, ki izkazuje odlično učinkovitost pri razsoljevanju morske vode.

Anorganske membrane

Anorganske membrane imajo odlično kemično in toplotno stabilnost ter lahko tvorijo enotno strukturo por. Pri pripravi anorganskih membran so bili uporabljeni keramični materiali, steklo, kovine, zeoliti, silicijev dioksid, paladijeve zlitine in dvo{1}}dimenzionalni materiali. Keramične membrane so izdelane iz kovinskih oksidov in njihovih derivatov, kot so TiO₂, SiO₂, ZrO₂ in Al₂O₃.

Hibridne matrične membrane
Hibridne matrične membrane združujejo sposobnost obdelave polimerov v raztopini z odlično prepustnostjo dodatkov za nanopolnila, s ciljem hkratnega izboljšanja prepustnosti in selektivnosti. Pogosto uporabljeni dodatki vključujejo:

• MOF: Ko je MOF NH₂-MIL-125(Ti) vključen v 0,010 mas. %, prepustnost za vodo doseže 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, stopnja zavrnitve Ni²⁺ pa je 90,9%.
• COF: Po vgradnji hidrofilnih triazin-COF vodni tok doseže 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, stopnji zavrnitve Zn²⁺ in Pb²⁺ pa 93,8 % oziroma 92,4 %.
• GO (dvo-dimenzionalni material): Po vključitvi hitozana v GO vodni tok doseže 55 L·m⁻²·h⁻¹, stopnja zavrnitve Mn²⁺ pa je 85 %.
• Nanodelci ZnO: izboljšajo hidrofilnost membrane, zmanjšajo hrapavost površine in izboljšajo lastnosti proti obraščanju.

Metoda fazne inverzije

Ta metoda, ki sta jo leta 1960 v membransko tehnologijo prvič predstavila Loeb in Sourajan, omogoča-enostopenjsko izdelavo selektivne in podporne plasti. Mikrostrukturo membrane je mogoče nadzorovati s prilagajanjem koncentracije polimera, vrste topila in koagulacijske kopeli, dodatkov in okoljskih pogojev. Na primer:

• cGO-dopirana PPSU membrana: Prepustnost vode se je povečala z 2,1 na 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, s stopnjami zavrnitve 99 %, 98 %, 82 %, 82 % in 87 % za H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ in Zn²⁺, oz.
• CS-EDTA-mGO/PES membrana (s pomočjo magnetnega polja): vodni tok je dosegel 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, stopnja zavrnitve Pb²⁺ 98,2 %, stopnja zavrnitve Cd²⁺ 93,6 %
• B-Membrana nanodelcev Cur/PES: stopnja zavrnitve presega 99 % za Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ in Ni²⁺

Metoda medfazne polimerizacije

Medfazna polimerizacija je ena najpogosteje uporabljenih tehnik priprave nanofiltracijskih membran. Vključuje potopitev substratne membrane v vodno raztopino, ki vsebuje aminske monomere, čemur sledi stik z organsko raztopino, ki vsebuje acil kloridne monomere, pri čemer se na vmesniku tvori ultratanka poliamidna plast. Pogosto uporabljena monomera sta piperazin in trimezoil klorid.

• Poliamidne membrane, dopirane z nanodelci-COF: Prepustnost za vodo se je povečala za 67 % (na 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), s stopnjami zavrnitve Cu²⁺, Mn²⁺ in Pb²⁺ 98,3%, 98,4% oziroma 91,9%.
• Udeležba komonomera BHDA pri medfazni polimerizaciji: vodni tok se je povečal za 2,4-krat (na 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), s stopnjami zavrnitve Cu²⁺, Zn²⁺ in Pb²⁺ 96,5%, 96,2% oziroma 88,4%.
• Nizko{0}}temperaturna mejna polimerizacija (-15 stopinj): debelina membrane se je zmanjšala in pretok vode je dosegel 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ so bile retencijske stopnje za Mn²⁺, Cd²⁺ in Cu²⁺ 97,9 %, 87,7 % oziroma 93,9 %.

Metoda-pomaganja

Metoda-nanosa s potapljanjem je preprosta za uporabo, ekonomična, učinkovita,-brez odpadkov in energijsko-učinkovita. Podlago potopimo v raztopino aktivnega materiala in pustimo stati nekaj časa, nato jo potegnemo navzgor s konstantno hitrostjo, kar omogoča, da topilo izhlapi in tvori film.

• Pozitivno nabita navzkrižno{0}}povezana membrana PEI (keramični substrat): vodni tok se je povečal z 32 na 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, s stopnjami zavrnitve 99,8 % za Cu²⁺, 96,8 % za As⁵⁺ in 97,2 % za Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % za Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ in Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ pred{0}}kompleksirana membrana: vodni tok 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, stopnje zadrževanja za Zn²⁺, Ni²⁺ in Cd²⁺ so bile 91,8 %, 83,2 % oziroma 75,6 %.

Površinska modifikacija/funkcionalizacija

Modifikacija površine lahko ustvari ultratanke plasti na površini nanofiltracijske membrane, hkrati pa izboljša selektivnost in prepustnost.

• 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⁺ in Cu²⁺ ter stopnja zavrnitve 92 % za Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs modificirana PES membrana: vodni tok se je povečal s 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⁺ in Ni²⁺.

Nanofiltracijska membranska tehnologija je dosegla pomemben napredek na področju odstranjevanja ionov težkih kovin. Z racionalno izbiro membranskih materialov in postopkov priprave je mogoče nadzorovati mikrostrukturo nanofiltracijskih membran, kar znatno izboljša pretok vode in stopnje zavrnitve ionov težkih kovin.

Prihodnje smeri razvoja:

• Selektivnost ionov: v-onesnaženi vodi v resničnem svetu soobstaja več kovinskih ionov. Treba je razviti nanofiltracijske membrane, ki so sposobne selektivnega zadrževanja specifičnih kovinskih ionov, da se dosežejo dvojni cilji čiščenja vode in pridobivanja kovin.
• Stabilnost membrane: trenutne raziskave imajo kratke preskusne cikle in učinkovitost večine membran se sčasoma poslabša. Za izboljšanje stabilnosti membrane je potrebno nadaljnje navzkrižno{1}}povezovanje ali uvedba stabilnih anorganskih nanodelcev.
• Učinkovitost proti obraščanju: Obraščanje membran je pogost izziv v tehnologiji membran. Površinski inženiring (kot je izdelava pozitivno nabitih površin za oblikovanje vodnih plasti) je potreben za ublažitev ali preprečitev adsorpcije onesnaževal.
• Način delovanja: večina študij uporablja slepo{0}}filtracijo, pri čemer zanemarja vprašanje adsorpcije kovinskih ionov znotraj membrane. Industrijske aplikacije zahtevajo načine delovanja s prečnim-tokom, zato je treba več pozornosti nameniti dolgoročni-delovanju membran v tem načinu.