Milyen erősek a nanoszűrő membránok a nehézfémek eltávolításához?

A nehézfémekkel szennyezett vízkezelés forró téma a környezetvédelmi területen. Egy friss áttekintés szisztematikusan összefoglalja a nanoszűrő membránok kutatási előrehaladását a nehézfém-ionok eltávolításában, feltárva, hogy az anyaginnováció és a folyamatoptimalizálás révén a nanoszűrő membrán vízárama több mint háromszorosára növelhető, és a különböző nehézfém-ionok, mint például a Cu²⁺, Pb²⁺ és Cd²⁺ eltávolítási sebessége elérheti a 99%-ot is hatékonyan és fenntartható vízkezelési megoldást biztosítva.

A globális édesvízhiány-válság több mint 1,8 milliárd ember életét fenyegeti. Ennek a helyzetnek két fő oka van: először is a tengervíz teszi ki a globális vízkészletek túlnyomó részét, míg a felhasználható édesvíz mennyisége korlátozott; másodszor, a szennyvízkibocsátás egyre súlyosabb édesvízszennyezéshez vezet. Bár a tengervíz sótalanítási technológiája jelentős fejlődésen ment keresztül az elmúlt években, a szennyvízben található túlzott nehézfém-ionok (pl. Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ stb.) szennyezhetik a sótalanított vizet, és akár az emberi test halálát is okozhatják.

Ezért különösen fontos a nyomokban mérgező nehézfémek szennyezett vízből történő hatékony eltávolítására szolgáló technológiák kidolgozása, mivel ezzel egyszerre két célt lehet elérni: több édesvíz beszerzését és értékes erőforrások visszanyerését.

A nanoszűrő membránok pórusmérete 0,5-2 nm között van, az ultraszűrő membránok (10-100 nm, nagy fluxus, de alacsony kilökődés) és a fordított ozmózisos membránok (nagy selejtezés, de alacsony fluxus, nagy energiafogyasztás) közé esnek. A nanoszűrő membránok hatékonyan képesek visszatartani a nehézfém-ionokat, miközben a nanopórusokon keresztül szállítócsatornákat biztosítanak a vízmolekulák számára, így a nehézfémmel szennyezett szennyvíz kezelésének élvonalbeli technológiája.

Elválasztási mechanizmusok:

Méretszűrés: A visszatartott és átitatott anyagok közötti sugárkülönbség alapján. A nanoszűrő membrán pórusmérete nagyobb, mint a vízmolekulák átmérője (0,4 nm), de összehasonlítható a hidratált nehézfém-ionok átmérőjével, ami lehetővé teszi a hatékony elválasztást a pórusméret beállításával.

Donnan taszítás: Az ionok és a töltött membránfelület közötti elektrosztatikus taszításon alapul. A nehézfém-ionok jellemzően pozitív töltésűek, ezért a pozitív töltésű membránfelület alkalmasabb a szennyező ionok visszatartására.

Ezenkívül a betáplált oldat pH-ja jelentősen befolyásolja a membrán teljesítményét: egyrészt megváltoztatja a polimer hálózat felületi töltését és térhálósodásának mértékét{0}}, ezáltal befolyásolja a kilökődési sebességet és a permeabilitást; másrészt befolyásolja a fémionok állapotát.

Szerves membránok

A szerves membránokat jellemzően polimer anyagok, például poliszulfon, cellulóz-acetát, polivinilidén-fluorid, poliéterszulfon, polidimetil-sziloxán, polietilén, polikarbonát és poliimid felhasználásával állítják elő. Ezek közül a poliamid a legszélesebb körben használt anyag a nanofiltrációs membrán-előkészítésben, amely kiváló teljesítményt mutat a tengervíz sótalanításában.

Szervetlen membránok

A szervetlen membránok kiváló kémiai és termikus stabilitással rendelkeznek, és egységes pórusszerkezetet tudnak kialakítani. A szervetlen membránok előállításához kerámia anyagokat, üveget, fémeket, zeolitokat, szilícium-dioxidot, palládiumötvözeteket és kétdimenziós anyagokat használtak fel. A kerámia membránok fém-oxidokból és származékaikból készülnek, mint például a TiO2, SiO2, ZrO2 és Al2O3.

Hibrid mátrix membránok
A hibrid mátrix membránok egyesítik a polimerek oldható feldolgozhatóságát a nanotöltő adalékok kiváló permeabilitásával, a permeabilitás és a szelektivitás egyidejű javítása érdekében. A gyakran használt adalékanyagok a következők:

• MOF-ok: Ha MOF NH2-MIL-125(Ti)-t 0,010 tömeg%-ban adunk hozzá, a vízáteresztő képesség eléri a 12,2 L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻¹ értéket, és a Ni2⁺ kilökődési arány 90,9%.
• COF-ok: Hidrofil triazin-COF-ok beépítése után a vízáram eléri a 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ értéket, a Zn2+ és Pb2⁺ kilökődési arány pedig 93,8%, illetve 92,4%.
• GO (két-dimenziós anyag): A kitozán GO-ba való beépítése után a vízáramlás eléri az 55 L·m⁻²·h⁻¹ értéket, és az Mn²⁺ kilökődési arány 85%.
• ZnO nanorészecskék: Javítja a membrán hidrofilitását, csökkenti a felület érdességét és javítja a lerakódásgátló tulajdonságokat.

Fázisinverziós módszer

Ez a módszer, amelyet először Loeb és Sourajan vezettek be a membrántechnológiába 1960-ban, lehetővé teszi a szelektív és a hordozóréteg egy-lépéses előállítását. A membrán mikroszerkezete szabályozható a polimer koncentráció, az oldószer és a koaguláló fürdő típusának, az adalékanyagok és a környezeti feltételek beállításával. Például:

• cGO-adalékolt PPSU membrán: A vízáteresztő képesség 2,1-ről 3,5 L·m⁻2·h⁻¹-ra nőtt, 99%, 98%, 82%, 82% és 87% H2AsO4, HCrO₄⁺, P221+, C,221+, C,221+, P ill.
• CS-EDTA-mGO/PES membrán (mágneses mezővel támogatott): A vízáram elérte a 84,2-t. L·m⁻²·h⁻¹, Pb2+ selejtezési arány 98,2%, Cd2+ elutasítási arány 93,6%
• B-Cur nanorészecskék/PES membrán: 99%-ot meghaladó kilökődési arány Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ és Ni²⁺ esetén

Határfelületi polimerizációs módszer

A határfelületi polimerizáció az egyik legszélesebb körben alkalmazott nanoszűrős membrán-előkészítési technika. Ez abból áll, hogy a szubsztrátum membránját amin monomereket tartalmazó vizes oldatba merítjük, majd érintkezésbe hozzuk egy acil-klorid monomereket tartalmazó szerves oldattal, ultravékony poliamid réteget képezve a határfelületen. Általánosan használt monomerek a piperazin és a trimezoil-klorid.

• COF nanorészecskés -adalékolt poliamid membránok: A vízáteresztő képesség 67%-kal nőtt (10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹-re), a Cu²+, Mn2+ és Pb²⁺ elutasítási aránya 98,3%, illetve 991,4% volt.
• A BHDA komonomer részvétele a határfelületi polimerizációban: A víz fluxusa 2,4-szeresére nőtt (12,9 L·m⁻2·h⁻¹-re), a Cu2+, Zn2+ és Pb2+ elutasítási arány 96,5%, 96,2% és 88,4%.
• Alacsony-hőmérsékletű határfelületi polimerizáció (-15 fok): a membrán vastagsága csökkent, és a vízáramlás elérte a 19,2-t. L·m⁻2·h⁻1·bar⁻1, a Mn2+, Cd2+ és Cu2+ retenciós aránya 97,9%, 87,7% és 93,9% volt.

Dip{0}}bevonat módszere

A dip-bevonat módszere egyszerűen használható, gazdaságos, hatékony, hulladék-mentes és energia-hatékony. A szubsztrátumot az aktív anyag oldatába merítjük, és egy ideig állni hagyjuk, majd állandó sebességgel felhúzzuk, így az oldószer elpárolog és filmréteget képez.

• Pozitív töltésű, térhálósított PEI membrán (kerámia szubsztrát): A vízáram 32-ről 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹-ra nőtt, Cu²⁺ esetén 99,8%, As⁵⁺⁺ és Cr.976⁺ 96,8%-os visszautasítási arány mellett.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ és Ni²⁺ esetén.
• PEI/Cu²⁺ elő-komplex membrán: Vízáram 8,1 L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻¹, a Zn2+, Ni2+ és Cd2⁺ retenciós aránya 91,8%, 83,2% és 75,6% volt.

Felületmódosítás/funkcionalizálás

Felületmódosítással ultravékony rétegek képződhetnek a nanofiltrációs membrán felületén, ezzel egyidejűleg javítva a szelektivitást és a permeabilitást.

• 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% a Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ és Cu²⁺ esetében, és 92% a visszautasítási arány a Pb2⁺ esetében.
• CNFs-co-Cs módosított PES membrán: A vízáram 4,25-ről 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹-ra nőtt
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% a Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ és Ni²⁺ esetében.

A nanoszűrő membrántechnológia jelentős előrelépést ért el a nehézfémion-eltávolítás területén. A membránanyagok és az előállítási eljárások ésszerű megválasztásával a nanoszűrő membránok mikroszerkezete szabályozható, jelentősen javítva a vízáramlást és a nehézfém-ionok kilökődési sebességét.

Jövőbeli fejlesztési irányok:

• Ionszelektivitás: A valós{0}}világ szennyezett vízében több fémion is létezik együtt. Különleges fémionok szelektív megtartására képes nanoszűrő membránok kifejlesztése szükséges a kettős cél, a víztisztítás és a fémvisszanyerés eléréséhez.
• Membránstabilitás: A jelenlegi kutatások rövid tesztelési ciklusokkal rendelkeznek, és a legtöbb membrán teljesítménye idővel romlik. További térhálósításra vagy stabil szervetlen nanorészecskék bevezetésére van szükség a membránstabilitás javításához.
• Lerakódásgátló teljesítmény: A membrán elszennyeződése gyakori kihívás a membrántechnológiában. Felületkezelésre (például pozitív töltésű felületek kialakítására vízrétegek kialakítására) van szükség a szennyező anyagok adszorpciójának mérséklésére vagy megelőzésére.
• Működési mód: A legtöbb tanulmány zsákutca{0}}szűrést alkalmaz, figyelmen kívül hagyva a fémionok membránon belüli adszorpcióját. Az ipari alkalmazások kereszt-áramlási üzemmódokat igényelnek, és nagyobb figyelmet kell fordítani a membránok hosszú távú{3}}teljesítményére ebben az üzemmódban.