Колко мощни са нанофилтрационните мембрани за отстраняване на тежки метали?

Пречистването на замърсена с тежки метали вода е гореща тема в областта на околната среда. Неотдавнашен преглед систематично обобщава напредъка на изследванията на нанофилтрационните мембрани при отстраняването на йони на тежки метали, разкривайки, че чрез иновация на материалите и оптимизация на процеса водният поток на нанофилтрационната мембрана може да бъде увеличен повече от 3 пъти, а скоростта на отстраняване на различни йони на тежки метали като Cu²⁺, Pb²⁺ и Cd²⁺ може да достигне над 99%, осигурявайки ефективно и устойчиво решение за пречистване на водата.

Глобалната криза с недостиг на прясна вода застрашава живота на повече от 1,8 милиарда души. Има две основни причини за това затруднение: първо, морската вода представлява по-голямата част от глобалните водни ресурси, докато количеството използваема прясна вода е ограничено; второ, изхвърлянето на отпадъчни води води до все по-сериозно замърсяване на сладката вода. Въпреки че технологията за обезсоляване на морска вода е постигнала значителен напредък през последните години, прекомерните йони на тежки метали (като Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ и др.) в отпадъчните води могат да замърсят обезсолената вода и дори да причинят смърт поради тяхното натрупване и токсичност в човешкото тяло.

Следователно разработването на технологии за ефективно отстраняване на следи от токсични тежки метали от замърсена вода е особено важно, тъй като това може едновременно да постигне две цели: получаване на повече прясна вода и възстановяване на ценни ресурси.

Нанофилтрационните мембрани имат размери на порите между 0,5-2 nm, попадащи между ултрафилтрационни мембрани (10-100 nm, висок поток, но ниско отхвърляне) и мембрани за обратна осмоза (високо отхвърляне, но нисък поток, висока консумация на енергия). Нанофилтрационните мембрани могат ефективно да задържат йони на тежки метали, като същевременно осигуряват транспортни канали за водни молекули през нанопори, което ги прави авангардна технология за третиране на замърсени с тежки метали отпадъчни води.

Механизми за разделяне:

Проверка на размера: Въз основа на разликата в радиуса между задържаните и проникналите материали. Размерите на порите на нанофилтрационната мембрана са по-големи от диаметъра на водните молекули (0,4 nm), но сравними с диаметъра на хидратирани йони на тежки метали, което позволява ефективно разделяне чрез регулиране на размера на порите.

Отблъскване на Донан: Въз основа на електростатичното отблъскване между йони и заредената повърхност на мембраната. Йоните на тежките метали обикновено са положително заредени, следователно положително заредената повърхност на мембраната е по-благоприятна за задържане на замърсители.

Освен това рН на захранващия разтвор значително влияе върху ефективността на мембраната: от една страна, то променя повърхностния заряд и степента на кръстосано -свързване на полимерната мрежа, като по този начин влияе върху степента на отхвърляне и пропускливостта; от друга страна, влияе върху състоянието на металните йони.

Органични мембрани

Органичните мембрани обикновено се приготвят с помощта на полимерни материали като полисулфон, целулозен ацетат, поливинилиден флуорид, полиетерсулфон, полидиметилсилоксан, полиетилен, поликарбонат и полиимид. Сред тях полиамидът е най-широко използваният материал в подготовката на нанофилтрационна мембрана, показващ отлична производителност при обезсоляване на морска вода.

Неорганични мембрани

Неорганичните мембрани притежават отлична химична и термична стабилност и могат да образуват еднаква структура на порите. Керамични материали, стъкло, метали, зеолити, силициев диоксид, паладиеви сплави и дву{1}}измерни материали са използвани при получаването на неорганични мембрани. Керамичните мембрани са направени от метални оксиди и техните производни, като TiO₂, SiO₂, ZrO₂ и Al2O₃.

Хибридни матрични мембрани
Хибридните матрични мембрани съчетават способността за обработка на разтвора на полимерите с отличната пропускливост на добавките за нанопълнители, като целят едновременно да подобрят пропускливостта и селективността. Често използваните добавки включват:

• MOFs: Когато MOF NH₂-MIL-125(Ti) е включен при 0,010 тегл.%, водопропускливостта достига 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, а степента на отхвърляне на Ni²⁺ е 90,9%.
• COF: След включване на хидрофилни триазин-COF, водният поток достига 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, а нивата на отхвърляне на Zn²⁺ и Pb²⁺ са съответно 93,8% и 92,4%.
• GO (дву{0}}измерен материал): След включване на хитозан в GO водният поток достига 55 L·m⁻²·h⁻¹, а степента на отхвърляне на Mn²⁺ е 85%.
• Наночастици ZnO: Подобряват хидрофилността на мембраната, намаляват грапавостта на повърхността и подобряват противообрастващите свойства.

Метод на фазова инверсия

Този метод, въведен за първи път в мембранната технология от Loeb и Sourajan през 1960 г., позволява едно-изработване на селективните и поддържащите слоеве. Микроструктурата на мембраната може да се контролира чрез регулиране на концентрацията на полимера, типа на разтворителя и коагулационната баня, добавките и условията на околната среда. Например:

• cGO-допирана PPSU мембрана: водопропускливостта е увеличена от 2,1 на 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, със степен на отхвърляне от 99%, 98%, 82%, 82% и 87% за H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ и Zn²⁺, съответно.
• CS-EDTA-mGO/PES мембрана (подпомогната от магнитно поле): водният поток достигна 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, процент на отхвърляне на Pb²⁺ 98,2%, процент на отхвърляне на Cd²⁺ 93,6%
• B-Cur наночастици/PES мембрана: Нива на отхвърляне над 99% за Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ и Ni²⁺

Метод на междинна полимеризация

Междуфазната полимеризация е една от най-широко използваните техники за приготвяне на нанофилтрационна мембрана. Това включва потапяне на субстратната мембрана във воден разтвор, съдържащ аминови мономери, последвано от контакт с органичен разтвор, съдържащ ацилхлоридни мономери, образувайки ултратънък полиамиден слой на повърхността. Често използвани мономери са пиперазин и тримезоил хлорид.

• COF наночастици-полиамидни мембрани: Водопропускливостта е увеличена с 67% (до 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), със степен на отхвърляне на Cu²⁺, Mn²⁺ и Pb²⁺ съответно от 98,3%, 98,4% и 91,9%.
• Участие на комономера на BHDA в междуфазната полимеризация: Водният поток се увеличава с 2,4 пъти (до 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), с нива на отхвърляне на Cu²⁺, Zn²⁺ и Pb²⁺ съответно от 96,5%, 96,2% и 88,4%.
• Ниско{0}}температурна междинна полимеризация (-15 градуса): Дебелината на мембраната намаля и водният поток достигна 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, нивата на задържане за Mn²⁺, Cd²⁺ и Cu²⁺ са съответно 97,9%, 87,7% и 93,9%.

Метод-на нанасяне на покритие

Методът за-нанасяне на покритие е лесен за работа, икономичен, ефективен,-без отпадъци и енергийно-ефективен. Субстратът се потапя в разтвора на активния материал и се оставя да престои за определен период от време, след което се изтегля нагоре с постоянна скорост, позволявайки на разтворителя да се изпари и да образува филм.

• Положително заредена кръстосано{0}}свързана PEI мембрана (керамичен субстрат): Водният поток се увеличи от 32 на 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, със степен на отхвърляне от 99,8% за Cu²⁺, 96,8% за As5⁺ и 97,2% за Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% за Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ и Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ пред{0}}комплексирана мембрана: Воден поток 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, степента на задържане за Zn²⁺, Ni²⁺ и Cd²⁺ е съответно 91,8%, 83,2% и 75,6%.

Повърхностна модификация/функционализация

Повърхностната модификация може да изгради ултратънки слоеве върху повърхността на нанофилтрационната мембрана, като едновременно с това подобрява селективността и пропускливостта.

• 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 Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ и Cu²⁺ и степен на отхвърляне от 92% за Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs модифицирана PES мембрана: Водният поток е увеличен от 4,25 на 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% за Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и Ni²⁺.

Нанофилтрационната мембранна технология постигна значителен напредък в областта на отстраняването на йони на тежки метали. Чрез рационален подбор на мембранни материали и процеси на приготвяне, микроструктурата на нанофилтрационните мембрани може да се контролира, като значително се подобрява водният поток и степента на отхвърляне на йони на тежки метали.

Бъдещи насоки за развитие:

• Селективност на йони: В замърсената-вода от реалния свят едновременно съществуват множество метални йони. Необходимо е да се разработят нанофилтрационни мембрани, способни селективно да задържат специфични метални йони, за да се постигнат двойните цели за пречистване на водата и възстановяване на метала.
• Стабилност на мембраната: Настоящите изследвания имат кратки цикли на тестване и работата на повечето мембрани се влошава с времето. Необходимо е допълнително кръстосано -свързване или въвеждане на стабилни неорганични наночастици за подобряване на стабилността на мембраната.
• Ефективност против обрастване: Замърсяването на мембраната е често срещано предизвикателство в мембранната технология. Повърхностното инженерство (като изграждане на положително заредени повърхности за образуване на водни слоеве) е необходимо за смекчаване или предотвратяване на адсорбцията на замърсители.
• Режим на работа: Повечето проучвания използват филтриране-в задънена улица, като пренебрегват проблема с адсорбцията на метални йони в мембраната. Индустриалните приложения изискват режими на работа с кръстосан-поток и трябва да се обърне повече внимание на дългосрочната-работа на мембраните при този режим.