Cik spēcīgas ir nanofiltrācijas membrānas smago metālu noņemšanai?

Smagajiem metāliem piesārņotā ūdens apstrāde ir aktuāla tēma vides jomā. Nesenā pārskatā sistemātiski apkopots nanofiltrācijas membrānu pētījumu progress smago metālu jonu atdalīšanai, atklājot, ka, izmantojot materiālu inovācijas un procesu optimizāciju, nanofiltrācijas membrānas ūdens plūsmu var palielināt vairāk nekā 3 reizes, un dažādu smago metālu jonu, piemēram, Cu²⁺, Pb²⁺ un Cd²⁺, atdalīšanas ātrums var sasniegt vairāk nekā 99%, nodrošinot ūdens attīrīšanas efektivitāti un ilgtspējīgu risinājumu.

Globālā saldūdens trūkuma krīze apdraud vairāk nekā 1,8 miljardu cilvēku dzīvības. Šai grūtajai situācijai ir divi galvenie iemesli: pirmkārt, jūras ūdens veido lielāko daļu pasaules ūdens resursu, savukārt izmantojamā saldūdens daudzums ir ierobežots; otrkārt, notekūdeņu novadīšana izraisa arvien nopietnāku saldūdens piesārņojumu. Lai gan pēdējos gados jūras ūdens atsāļošanas tehnoloģija ir guvusi ievērojamu progresu, pārmērīga smago metālu jonu (piemēram, Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ u.c.) daudzums notekūdeņos var piesārņot atsāļoto ūdeni un pat izraisīt cilvēka ķermeņa intoksikāciju.

Tāpēc īpaši svarīga ir tehnoloģiju izstrāde toksisko smago metālu pēdu efektīvai izvadīšanai no piesārņota ūdens, jo tā vienlaikus var sasniegt divus mērķus: iegūt vairāk saldūdens un atgūt vērtīgus resursus.

Nanofiltrācijas membrānām ir poru izmēri no 0,5-2 nm, kas atrodas starp ultrafiltrācijas membrānām (10-100 nm, liela plūsma, bet zema atgrūšana) un reversās osmozes membrānām (augsta atgrūšana, bet zema plūsma, liels enerģijas patēriņš). Nanofiltrācijas membrānas var efektīvi aizturēt smago metālu jonus, vienlaikus nodrošinot ūdens molekulu transportēšanas kanālus caur nanoporām, padarot tās par visprogresīvāko tehnoloģiju smago metālu piesārņoto notekūdeņu attīrīšanai.

Atdalīšanas mehānismi:

Izmēru pārbaude: pamatojoties uz atšķirību rādiusā starp saglabātajiem un caurlaidīgajiem materiāliem. Nanofiltrācijas membrānas poru izmēri ir lielāki par ūdens molekulu diametru (0,4 nm), bet salīdzināmi ar hidratēto smago metālu jonu diametru, kas ļauj efektīvi atdalīt, pielāgojot poru izmēru.

Donnan atgrūšanās: Pamatojas uz elektrostatisko atgrūšanos starp joniem un uzlādētās membrānas virsmu. Smago metālu joni parasti ir pozitīvi uzlādēti, tāpēc pozitīvi lādēta membrānas virsma ir labvēlīgāka piesārņojošo jonu noturēšanai.

Turklāt padeves šķīduma pH būtiski ietekmē membrānas veiktspēju: no vienas puses, tas maina virsmas lādiņu un polimēru tīkla šķērssavienojuma pakāpi, tādējādi ietekmējot atgrūšanas ātrumu un caurlaidību; no otras puses, tas ietekmē metālu jonu stāvokli.

Organiskās membrānas

Organiskās membrānas parasti sagatavo, izmantojot polimēru materiālus, piemēram, polisulfonu, celulozes acetātu, polivinilidēnfluorīdu, poliētersulfonu, polidimetilsiloksānu, polietilēnu, polikarbonātu un poliimīdu. Starp tiem poliamīds ir visplašāk izmantotais materiāls nanofiltrācijas membrānas sagatavošanā, un tam ir lieliska veiktspēja jūras ūdens atsāļošanā.

Neorganiskās membrānas

Neorganiskajām membrānām ir lieliska ķīmiskā un termiskā stabilitāte, un tās var veidot vienotu poru struktūru. Neorganisko membrānu sagatavošanā izmantoti keramikas materiāli, stikls, metāli, ceolīti, silīcija dioksīds, pallādija sakausējumi un divdimensiju materiāli. Keramikas membrānas ir izgatavotas no metālu oksīdiem un to atvasinājumiem, piemēram, TiO₂, SiO2, ZrO₂ un Al2O3.

Hibrīda matricas membrānas
Hibrīdās matricas membrānas apvieno polimēru šķīduma apstrādājamību ar lielisko nanopildvielu piedevu caurlaidību, lai vienlaikus uzlabotu caurlaidību un selektivitāti. Bieži lietotās piedevas ietver:

• MOF: ja MOF NH₂-MIL-125(Ti) ir iekļauts 0,010 masas %, ūdens caurlaidība sasniedz 12,2 l·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, un Ni²⁺ atgrūšanas koeficients ir 90,9%.
• COF: pēc hidrofilo triazīna-COF pievienošanas ūdens plūsma sasniedz 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, un Zn²⁺ un Pb²⁺ atgrūšanas rādītāji ir attiecīgi 93,8% un 92,4%.
• GO (div{0}}dimensiju materiāls): pēc hitozāna pievienošanas GO ūdens plūsma sasniedz 55 L·m⁻²·h⁻¹, un Mn²⁺ atgrūšanas koeficients ir 85%.
• ZnO nanodaļiņas: uzlabo membrānas hidrofilitāti, samazina virsmas raupjumu un uzlabo pretapaugšanas īpašības.

Fāzes inversijas metode

Šo metodi membrānas tehnoloģijā pirmo reizi ieviesa Lēbs un Surajans 1960. gadā, un tā nodrošina selektīvo un atbalsta slāņu izgatavošanu vienā-pakāpē. Membrānas mikrostruktūru var kontrolēt, pielāgojot polimēra koncentrāciju, šķīdinātāja un koagulācijas vannas veidu, piedevas un vides apstākļus. Piemēram:

• cGO-leģēta PPSU membrāna: ūdens caurlaidība palielinājās no 2,1 līdz 3,5 L·m⁻²·h⁻¹ ar atgrūšanas rādītājiem 99%, 98%, 82%, 82% un 87% H₂AsO4, HCrO₄⁺, C, 2+ ⁺⁺, C, 2 ₄⁻, C, b. attiecīgi.
• CS-EDTA-mGO/PES membrāna (ar magnētiskā lauka palīdzību): ūdens plūsma sasniedza 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ noraidīšanas koeficients 98,2%, Cd²⁺ noraidīšanas līmenis 93,6%
• B-Cietās nanodaļiņas/PES membrāna: Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ un Ni²⁺ atgrūšanas rādītāji pārsniedz 99%.

Interfeisa polimerizācijas metode

Interfeisa polimerizācija ir viena no visplašāk izmantotajām nanofiltrācijas membrānas sagatavošanas metodēm. Tas ietver substrāta membrānas iegremdēšanu ūdens šķīdumā, kas satur amīna monomērus, pēc tam saskaroties ar organisku šķīdumu, kas satur acilhlorīda monomērus, veidojot īpaši plānu poliamīda slāni saskarnē. Parasti izmantotie monomēri ir piperazīns un trimezoilhlorīds.

• COF nanodaļiņu -leģētas poliamīda membrānas: ūdens caurlaidība palielinājās par 67% (līdz 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), ar Cu²⁺, Mn²⁺ un Pb²⁺ atgrūšanas rādītājiem attiecīgi 98,3%, un 98,9%.
• BHDA komonomēru līdzdalība saskarnes polimerizācijā: ūdens plūsma palielinājās par 2,4 reizēm (līdz 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), ar Cu²⁺, Zn²⁺ un Pb²⁺ atgrūšanas rādītājiem attiecīgi 96,5%, 96,2% un 88,4%.
• Zemas-temperatūras saskarnes polimerizācija (-15 grādi): membrānas biezums samazinājās, un ūdens plūsma sasniedza 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, aiztures rādītāji Mn2+, Cd2⁺ un Cu²⁺ bija attiecīgi 97,9%, 87,7% un 93,9%.

Iegremdēšanas{0}}pārklājuma metode

Iegremdēšanas-pārklājuma metode ir vienkārši lietojama, ekonomiska, efektīva, bez atkritumiem-un enerģijas-efektīva. Substrātu iegremdē aktīvā materiāla šķīdumā un ļauj kādu laiku nostāvēties, pēc tam velk uz augšu ar nemainīgu ātrumu, ļaujot šķīdinātājam iztvaikot un izveidot plēvi.

• Pozitīvi lādēta, šķērssavienota PEI membrāna (keramikas substrāts): ūdens plūsma palielinājās no 32 līdz 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, un atgrūšanas rādītāji ir 99,8% Cu²⁺, 96,8% As⁵⁺⁺ un Cr.97⁶⁺
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ un Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ iepriekš-kompleksā membrāna: ūdens plūsma 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Zn²⁺, Ni²⁺ un Cd²⁺ aiztures rādītāji bija attiecīgi 91,8%, 83,2% un 75,6%.

Virsmas modifikācija/funkcionalizācija

Virsmas modifikācija var izveidot īpaši plānus slāņus uz nanofiltrācijas membrānas virsmas, vienlaikus uzlabojot selektivitāti un caurlaidību.

• 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⁺ un Cu²⁺ un 92% noraidīšanas koeficients Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs modificēta PES membrāna: ūdens plūsma palielinājās no 4,25 līdz 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ un Ni²⁺.

Nanofiltrācijas membrānas tehnoloģija ir panākusi ievērojamu progresu smago metālu jonu noņemšanas jomā. Racionāli izvēloties membrānas materiālus un sagatavošanas procesus, var kontrolēt nanofiltrācijas membrānu mikrostruktūru, būtiski uzlabojot ūdens plūsmu un smago metālu jonu atgrūšanas ātrumu.

Nākotnes attīstības virzieni:

• Jonu selektivitāte: reālajā{0}}pasaules piesārņotajā ūdenī līdzās pastāv vairāki metālu joni. Ir nepieciešams izstrādāt nanofiltrācijas membrānas, kas spēj selektīvi aizturēt specifiskus metāla jonus, lai sasniegtu divējādas ūdens attīrīšanas un metāla reģenerācijas mērķus.
• Membrānas stabilitāte: Pašreizējiem pētījumiem ir īsi testēšanas cikli, un vairuma membrānu veiktspēja laika gaitā pasliktinās. Lai uzlabotu membrānas stabilitāti, ir nepieciešama turpmāka šķērssaistīšana vai stabilu neorganisko nanodaļiņu ieviešana.
• Pretapaugšanas veiktspēja: Membrānas piesārņojums ir izplatīts izaicinājums membrānas tehnoloģijā. Virsmas inženierija (piemēram, pozitīvi lādētu virsmu konstruēšana, lai veidotu ūdens slāņus) ir nepieciešama, lai mazinātu vai novērstu piesārņojošo vielu adsorbciju.
• Darbības režīms: lielākajā daļā pētījumu tiek izmantota strupceļa{0}}filtrēšana, neņemot vērā metāla jonu adsorbcijas problēmu membrānā. Rūpnieciskām lietojumprogrammām ir nepieciešami šķērsplūsmas darbības režīmi, un vairāk uzmanības jāpievērš membrānu ilgstošai darbībai šajā režīmā.