Колико су моћне нанофилтрационе мембране за уклањање тешких метала?

Третман воде контаминиране тешким металима је врућа тема у области животне средине. Недавни преглед систематски резимира напредак истраживања нанофилтрационих мембрана у уклањању јона тешких метала, откривајући да се кроз иновације материјала и оптимизацију процеса, ток воде нанофилтрационе мембране може повећати за више од 3 пута, а брзина уклањања различитих јона тешких метала као што су Цу²⁺, Пб²⁺ и Цд² може да достигне ефикасне растворе за воду од 9% и Цд². третман.

Глобална криза несташице слатке воде угрожава животе више од 1,8 милијарди људи. Постоје два главна разлога за ову невољу: прво, морска вода чини огромну већину глобалних водних ресурса, док је количина употребљиве слатке воде ограничена; друго, испуштање отпадних вода доводи до све озбиљнијег загађења слатке воде. Иако је технологија десалинације морске воде постигла значајан напредак последњих година, прекомерни јони тешких метала (као што су Зн²⁺, Цу²⁺, Фе²⁺, Хг²⁺, Цд²⁺, Пб²⁺, Цр⁶⁺, итд.) у отпадној води могу контаминирати десалинизовану воду због њиховог акумулације, па чак и изазвати смрт у људском телу.

Због тога је развој технологија за ефикасно уклањање трагова токсичних тешких метала из загађене воде посебно важан, јер се тиме могу истовремено постићи два циља: добијање више свеже воде и опоравак вредних ресурса.

Нанофилтрационе мембране имају величину пора између 0,5-2 нм, које се налазе између ултрафилтрационих мембрана (10-100 нм, висок флукс, али ниско одбацивање) и мембрана реверзне осмозе (високо одбацивање, али мали флукс, велика потрошња енергије). Нанофилтрационе мембране могу ефикасно задржати јоне тешких метала док обезбеђују транспортне канале за молекуле воде кроз нанопоре, што их чини најсавременијом технологијом за третман отпадних вода контаминираних тешким металима.

Механизми раздвајања:

Скрининг величине: На основу разлике у радијусу између задржаних и прожимајућих материјала. Величина пора нанофилтрационе мембране је већа од пречника молекула воде (0,4 нм), али је упоредива са пречником хидратисаних јона тешких метала, што омогућава ефикасно одвајање подешавањем величине пора.

Доннанова репулзија: Засновано на електростатичком одбијању између јона и наелектрисане површине мембране. Јони тешких метала су типично позитивно наелектрисани, стога је позитивно наелектрисана површина мембране погоднија за задржавање загађујућих јона.

Штавише, пХ раствора за пуњење значајно утиче на перформансе мембране: с једне стране, мења површински набој и степен унакрсног{0}}повезивања полимерне мреже, чиме утиче на брзину одбацивања и пермеабилност; с друге стране утиче на стање металних јона.

Органске мембране

Органске мембране се обично припремају коришћењем полимерних материјала, као што су полисулфон, ацетат целулозе, поливинилиден флуорид, полиетерсулфон, полидиметилсилоксан, полиетилен, поликарбонат и полиимид. Међу њима, полиамид је најраспрострањенији материјал у припреми нанофилтрационих мембрана, који показује одличне перформансе у десалинизацији морске воде.

Неорганске мембране

Неорганске мембране поседују одличну хемијску и термичку стабилност и могу да формирају уједначену структуру пора. У припреми неорганских мембрана коришћени су керамички материјали, стакло, метали, зеолити, силицијум диоксид, легуре паладијума и дводимензионални материјали. Керамичке мембране су направљене од металних оксида и њихових деривата, као што су ТиО₂, СиО₂, ЗрО₂ и Ал₂О₃.

Хибридне матричне мембране
Хибридне матричне мембране комбинују могућност обраде раствора полимера са одличном пропусношћу адитива нанопунила, са циљем да истовремено побољшају пермеабилност и селективност. Често коришћени адитиви укључују:

• МОФс: Када је МОФ НХ₂-МИЛ-125(Ти) уграђен у количини од 0,010 теж.%, пропусност воде достиже 12,2 Л·м⁻²·х⁻¹·бар⁻¹, а стопа одбацивања Ни²⁺ је 90,9%.
• ЦОФ: Након уградње хидрофилних триазинских-ЦОФ-ова, флукс воде достиже 15 Л·м⁻²·х⁻¹·бар⁻¹, а стопе одбацивања Зн²⁺ и Пб²⁺ су 93,8% и 92,4%, респективно.
• ГО (дводимензионални материјал): Након уградње хитозана у ГО, флукс воде достиже 55 Л·м⁻²·х⁻¹, а стопа одбацивања Мн²⁺ је 85%.
• ZnO nanoparticles: Improve membrane hydrophilicity, reduce surface roughness, and enhance antifouling properties.

Метода инверзије фазе

Овај метод, који су Лоеб и Соурајан први увели у технологију мембрана 1960. године, омогућава производњу селективних и потпорних слојева у једном-корак. Микроструктура мембране се може контролисати подешавањем концентрације полимера, типа растварача и коагулационог купатила, адитива и услова околине. на пример:

• ППСУ мембрана допирана цГО-: Пропустљивост воде повећана са 2,1 на 3,5 Л·м⁻²·х⁻¹, са стопама одбацивања од 99%, 98%, 82%, 82% и 87% за Х₂АсО₄, ХЦрО₄2⁻, ЦрО₄2⁻, Ц2 Зн²⁺, респективно.
• ЦС-ЕДТА-мГО/ПЕС мембрана (уз помоћ магнетног поља): Водени флукс је достигао 84,2. Л·м⁻²·х⁻¹, Пб²⁺ стопа одбацивања 98,2%, Цд²⁺ стопа одбацивања 93,6%
• Б-Цур наночестице/ПЕС мембрана: Стопе одбацивања прелазе 99% за Фе²⁺, Цу²⁺, Пб²⁺, Мн²⁺, Зн²⁺ и Ни²⁺

Метода међуфазне полимеризације

Међуфазна полимеризација је једна од најчешће коришћених техника припреме нанофилтрационих мембрана. Подразумева потапање мембране супстрата у водени раствор који садржи аминске мономере, након чега се доводи у контакт са органским раствором који садржи мономере ацил хлорида, формирајући ултратанки полиамидни слој на интерфејсу. Обично коришћени мономери су пиперазин и тримезоил хлорид.

• ЦОФ наночестице-допиране полиамидне мембране: Водопропусност повећана за 67% (на 10,8 Л·м⁻²·х⁻¹·бар⁻¹), са стопама одбацивања Цу²⁺, Мн²⁺ и Пб²⁺ од 98,3%, односно 991,9%, респективно 991,9%, респективно,
• Учешће БХДА комономера у међуфазној полимеризацији: Проток воде је повећан за 2,4 пута (на 12,9 Л·м⁻²·х⁻¹), са стопама одбацивања Цу²⁺, Зн²⁺ и Пб²⁺ од 96,5%, 96,2%, односно 88,4%, респективно, 96,2%, односно 88,4%.
• Ниска{0}}међуфазна полимеризација (-15 степени): Дебљина мембране се смањила, а ток воде је достигао 19,2. Л·м⁻²·х⁻¹·бар⁻¹, стопе задржавања за Мн²⁺, Цд²⁺ и Цу²⁺ биле су 97,9%, 87,7% и 93,9%, респективно.

Метода{0}}превлачења

Метода{0}}премазања потапањем је једноставна за руковање, економична, ефикасна, без отпада-и енергетски{2}ефикасна. Супстрат се урони у раствор активног материјала и остави да одстоји неко време, а затим се повуче константном брзином, дозвољавајући растварачу да испари и формира филм.

• Позитивно наелектрисана унакрсно{0}}повезана ПЕИ мембрана (керамичка подлога): флукс воде је повећан са 32 на 82 Л·м⁻²·х⁻¹·бар⁻¹, са стопом одбацивања од 99,8% за Цу²⁺, 96,8% за Ас⁵97⁺% и Цр
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% за Цд²⁺, Пб²⁺, Зн²⁺ и Ни²⁺.
• ПЕИ/Цу²⁺ пре-комплексирана мембрана: флукс воде 8,1 Л·м⁻²·х⁻¹·бар⁻¹, стопе задржавања за Зн²⁺, Ни²⁺ и Цд²⁺ су биле 91,8%, 83,2%, односно 75,6%.

Модификација/функционализација површине

Модификација површине може да конструише ултратанке слојеве на површини нанофилтрационе мембране, истовремено побољшавајући селективност и пропустљивост.

• 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% за Зн²⁺, Цд²⁺, Ни²⁺ и Цу²⁺, и стопа одбацивања од 92% за Пб²⁺.
• ЦНФс-цо-Цс модификована ПЕС мембрана: Проток воде повећан са 4,25 на 13,58 Л·м⁻²·х⁻¹·бар⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% за Цд²⁺, Пб²⁺, Цу²⁺, Зн²⁺ и Ни²⁺.

Технологија нанофилтрационих мембрана је направила значајан напредак у области уклањања јона тешких метала. Рационалним одабиром мембранских материјала и процеса припреме, микроструктура нанофилтрационих мембрана се може контролисати, значајно побољшавајући проток воде и стопе одбацивања јона тешких метала.

Правци будућег развоја:

• Селективност јона: У стварно-светској загађеној води, више металних јона коегзистира. Неопходно је развити нанофилтрационе мембране способне да селективно задржавају специфичне металне јоне да би се постигли двоструки циљеви пречишћавања воде и обнављања метала.
• Стабилност мембране: Тренутна истраживања имају кратке циклусе тестирања, а перформансе већине мембрана се временом погоршавају. Даље унакрсно-повезивање или увођење стабилних неорганских наночестица је потребно да би се побољшала стабилност мембране.
• Перформансе против обраштања: Запрљавање мембране је уобичајен изазов у ​​мембранској технологији. Површински инжењеринг (као што је изградња позитивно наелектрисаних површина за формирање слојева воде) је потребан да би се ублажила или спречила адсорпција загађивача.
• Режим рада: Већина студија користи{0}}филтрацију са мртве тачке, занемарујући проблем адсорпције јона метала унутар мембране. Индустријске апликације захтевају унакрсне{2}}режиме рада и више пажње треба посветити дугорочним-перформансама мембрана у овом режиму.