Jak skuteczne są membrany nanofiltracyjne do usuwania metali ciężkich?

Uzdatnianie wody zanieczyszczonej metalami ciężkimi jest gorącym tematem w dziedzinie ochrony środowiska. Niedawny przegląd systematycznie podsumowuje postęp badań nad membranami nanofiltracyjnymi w usuwaniu jonów metali ciężkich, ujawniając, że dzięki innowacjom materiałowym i optymalizacji procesów strumień wody w membranach nanofiltracyjnych można zwiększyć ponad 3-krotnie, a szybkość usuwania różnych jonów metali ciężkich, takich jak Cu²⁺, Pb²⁺ i Cd²⁺ może osiągnąć ponad 99%, zapewniając wydajne i zrównoważone rozwiązanie do uzdatniania wody.

Globalny kryzys niedoborów słodkiej wody zagraża życiu ponad 1,8 miliarda ludzi. Istnieją dwie główne przyczyny tej trudnej sytuacji: po pierwsze, woda morska stanowi zdecydowaną większość światowych zasobów wodnych, podczas gdy ilość nadającej się do wykorzystania wody słodkiej jest ograniczona; po drugie, odprowadzanie ścieków prowadzi do coraz poważniejszego zanieczyszczenia słodkiej wody. Chociaż technologia odsalania wody morskiej poczyniła znaczne postępy w ostatnich latach, nadmierna ilość jonów metali ciężkich (takich jak Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ itp.) w ściekach może zanieczyścić odsoloną wodę, a nawet spowodować śmierć w wyniku ich gromadzenia się i toksyczności w organizmie człowieka.

Dlatego też opracowanie technologii skutecznego usuwania śladowych ilości toksycznych metali ciężkich z zanieczyszczonej wody jest szczególnie ważne, gdyż pozwala jednocześnie osiągnąć dwa cele: uzyskanie większej ilości świeżej wody i odzysk cennych zasobów.

Membrany nanofiltracyjne mają pory o wielkości od 0,5-2 nm, mieszczące się pomiędzy membranami ultrafiltracyjnymi (10-100 nm, duży przepływ, ale niski współczynnik odrzutu) a membranami odwróconej osmozy (wysoki współczynnik odrzutu, ale niski przepływ, wysokie zużycie energii). Membrany nanofiltracyjne mogą skutecznie zatrzymywać jony metali ciężkich, zapewniając jednocześnie kanały transportowe dla cząsteczek wody przez nanopory, co czyni je najnowocześniejszą technologią oczyszczania ścieków zanieczyszczonych metalami ciężkimi.

Mechanizmy separacji:

Przesiewanie wielkości: W oparciu o różnicę promienia pomiędzy materiałem zatrzymanym i przepuszczonym. Rozmiary porów membran nanofiltracyjnych są większe niż średnica cząsteczek wody (0,4 nm), ale porównywalne ze średnicą uwodnionych jonów metali ciężkich, co pozwala na skuteczną separację poprzez dostosowanie wielkości porów.

Odpychanie Donnana: Opiera się na odpychaniu elektrostatycznym między jonami a naładowaną powierzchnią membrany. Jony metali ciężkich są zazwyczaj naładowane dodatnio, dlatego dodatnio naładowana powierzchnia membrany lepiej sprzyja zatrzymywaniu jonów zanieczyszczeń.

Co więcej, pH roztworu zasilającego znacząco wpływa na działanie membrany: z jednej strony zmienia ładunek powierzchniowy i stopień usieciowania-sieci polimerowej, wpływając w ten sposób na współczynnik odrzucania i przepuszczalność; z drugiej strony wpływa na stan jonów metali.

Membrany organiczne

Membrany organiczne są zazwyczaj przygotowywane przy użyciu materiałów polimerowych, takich jak polisulfon, octan celulozy, polifluorek winylidenu, polieterosulfon, polidimetylosiloksan, polietylen, poliwęglan i poliimid. Wśród nich poliamid jest najczęściej stosowanym materiałem do przygotowania membran nanofiltracyjnych, wykazującym doskonałe działanie w odsalaniu wody morskiej.

Membrany nieorganiczne

Membrany nieorganiczne charakteryzują się doskonałą stabilnością chemiczną i termiczną i mogą tworzyć jednolitą strukturę porów. Do wytwarzania membran nieorganicznych stosowano materiały ceramiczne, szkło, metale, zeolity, krzemionkę, stopy palladu i-materiały dwuwymiarowe. Membrany ceramiczne wykonane są z tlenków metali i ich pochodnych, takich jak TiO₂, SiO₂, ZrO₂ i Al₂O₃.

Membrany hybrydowe
Hybrydowe membrany matrycowe łączą w sobie przetwarzalność roztworów polimerów z doskonałą przepuszczalnością dodatków nanonapełniaczy, mając na celu jednoczesną poprawę przepuszczalności i selektywności. Powszechnie stosowane dodatki obejmują:

• MOF: Gdy MOF NH₂-MIL-125(Ti) zostanie wprowadzony w ilości 0,010% wag., przepuszczalność wody osiąga 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a współczynnik odrzucenia Ni²⁺ wynosi 90,9%.
• COF: Po włączeniu hydrofilowych-COF triazyny strumień wody osiąga 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a współczynnik odrzucenia Zn²⁺ i Pb²⁺ wynosi odpowiednio 93,8% i 92,4%.
• GO (materiał-dwuwymiarowy): po włączeniu chitozanu do GO strumień wody osiąga 55 L·m⁻²·h⁻¹, a współczynnik odrzucenia Mn²⁺ wynosi 85%.
• Nanocząsteczki ZnO: Poprawiają hydrofilowość membrany, zmniejszają chropowatość powierzchni i poprawiają właściwości przeciwporostowe.

Metoda inwersji faz

Metoda ta, wprowadzona do technologii membranowej po raz pierwszy przez Loeba i Sourajana w 1960 r., umożliwia-jednoetapowe wytwarzanie warstwy selektywnej i nośnej. Mikrostrukturę membrany można kontrolować dostosowując stężenie polimeru, rodzaj rozpuszczalnika i kąpieli koagulacyjnej, dodatki i warunki środowiskowe. Na przykład:

• Membrana z PPSU-domieszkowanego cGO: przepuszczalność wody zwiększona z 2,1 do 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, przy współczynniku odrzucenia 99%, 98%, 82%, 82% i 87% dla H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ i Zn²⁺, odpowiednio.
• Membrana CS-EDTA-mGO/PES (wspomagana polem magnetycznym): Strumień wody osiągnął 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, współczynnik odrzuceń Pb²⁺ 98,2%, współczynnik odrzuceń Cd²⁺ 93,6%
• B-Nanocząstka Cur/membrana PES: współczynnik odrzuceń przekraczający 99% dla Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺

Metoda polimeryzacji międzyfazowej

Polimeryzacja międzyfazowa jest jedną z najczęściej stosowanych technik przygotowania membran nanofiltracyjnych. Polega na zanurzeniu membrany podłoża w roztworze wodnym zawierającym monomery aminowe, a następnie kontaktowaniu jej z roztworem organicznym zawierającym monomery chlorku acylu, tworząc na styku ultracienką warstwę poliamidu. Powszechnie stosowanymi monomerami są piperazyna i chlorek trimesoilu.

• Membrany-poliamidowe z nanocząsteczkami COF: przepuszczalność wody wzrosła o 67% (do 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), przy współczynniku odrzucenia Cu²⁺, Mn²⁺ i Pb²⁺ wynoszącym odpowiednio 98,3%, 98,4% i 91,9%.
• Udział komonomeru BHDA w polimeryzacji międzyfazowej: Strumień wody wzrósł 2,4 razy (do 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), przy wskaźnikach odrzucenia Cu²⁺, Zn²⁺ i Pb²⁺ odpowiednio 96,5%, 96,2% i 88,4%.
• Polimeryzacja międzyfazowa w niskiej-temperaturze (-15 stopni): grubość membrany spadła, a strumień wody osiągnął 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, współczynniki retencji dla Mn²⁺, Cd²⁺ i Cu²⁺ wyniosły odpowiednio 97,9%, 87,7% i 93,9%.

Metoda powlekania-przez zanurzenie

Metoda-powlekania zanurzeniowego jest prosta w obsłudze, ekonomiczna, wydajna,-bezodpadowa i-energooszczędna. Podłoże zanurza się w roztworze substancji czynnej i pozostawia na pewien czas, a następnie wciąga ze stałą prędkością, umożliwiając odparowanie rozpuszczalnika i utworzenie błony.

• Dodatnio naładowana usieciowana-membrana PEI (podłoże ceramiczne): przepływ wody wzrósł z 32 do 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, przy współczynniku odrzucenia wynoszącym 99,8% dla Cu²⁺, 96,8% dla As⁵⁺ i 97,2% dla Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% dla Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ Pre-skomplikowana membrana: strumień wody 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, współczynnik retencji dla Zn²⁺, Ni²⁺ i Cd²⁺ wynosił odpowiednio 91,8%, 83,2% i 75,6%.

Modyfikacja/funkcjonalizacja powierzchni

Modyfikacja powierzchni umożliwia budowę ultracienkich warstw na powierzchni membrany nanofiltracyjnej, poprawiając jednocześnie selektywność i przepuszczalność.

• 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% dla Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ i Cu²⁺ oraz współczynnik odrzuceń wynoszący 92% dla Pb²⁺.
• CNF-co-Membrana PES modyfikowana Cs: przepływ wody zwiększony z 4,25 do 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% dla Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.

Technologia membran nanofiltracyjnych poczyniła znaczne postępy w dziedzinie usuwania jonów metali ciężkich. Racjonalnie dobierając materiały membran i procesy ich przygotowania, można kontrolować mikrostrukturę membran nanofiltracyjnych, znacznie poprawiając przepływ wody i współczynnik odrzucania jonów metali ciężkich.

Przyszłe kierunki rozwoju:

• Selektywność jonowa: w-rzeczywistym świecie zanieczyszczonej wodzie współistnieje wiele jonów metali. Konieczne jest opracowanie membran nanofiltracyjnych zdolnych do selektywnego zatrzymywania określonych jonów metali, aby osiągnąć podwójne cele, jakim jest oczyszczanie wody i odzyskiwanie metali.
• Stabilność membran: Obecne badania mają krótkie cykle testowe, a wydajność większości membran pogarsza się z biegiem czasu. Aby poprawić stabilność membrany, konieczne jest dalsze-sieciowanie lub wprowadzenie stabilnych nanocząstek nieorganicznych.
• Działanie przeciwporostowe: Zanieczyszczanie membran jest częstym wyzwaniem w technologii membranowej. Inżynieria powierzchni (taka jak konstruowanie powierzchni naładowanych dodatnio w celu utworzenia warstw wody) jest konieczna, aby złagodzić lub zapobiec adsorpcji zanieczyszczeń.
• Tryb pracy: w większości badań stosuje się-ślepą filtrację, pomijając kwestię adsorpcji jonów metali w membranie. Zastosowania przemysłowe wymagają trybów pracy z-przepływem krzyżowym i należy zwrócić większą uwagę na-długoterminową wydajność membran w tym trybie.