Hvor kraftfulde er nanofiltreringsmembraner til fjernelse af tungmetal?

Tungmetalforurenet vandbehandling er et varmt emne på miljøområdet. En nylig gennemgang opsummerer systematisk forskningsfremskridtene for nanofiltreringsmembraner i fjernelse af tungmetalioner, og afslører, at gennem materialeinnovation og procesoptimering kan nanofiltreringsmembranvandstrømmen øges med mere end 3 gange, og fjernelseshastigheden af forskellige tungmetalioner såsom Cu²⁺, Pb²⁺ og Cd²⁺-effektive løsninger kan nå op på en bæredygtig løsning på over 9 og %. behandling.

Den globale krise med mangel på ferskvand truer mere end 1,8 milliarder menneskers liv. Der er to hovedårsager til denne knibe: For det første tegner havvand sig for langt størstedelen af ​​de globale vandressourcer, mens mængden af ​​brugbart ferskvand er begrænset; for det andet fører spildevandsudledning til stadig mere alvorlig ferskvandsforurening. Selvom teknologien til afsaltning af havvand har gjort betydelige fremskridt i de seneste år, kan for store tungmetalioner (såsom Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ osv.) i spildevand forurene det afsaltede vand og endda forårsage dødelig toksicitet i det menneskelige legeme.

Derfor er det særligt vigtigt at udvikle teknologier til effektivt at fjerne spormængder af giftige tungmetaller fra forurenet vand, da dette samtidig kan nå to mål: at få mere ferskvand og genvinde værdifulde ressourcer.

Nanofiltreringsmembraner har porestørrelser mellem 0,5 -2 nm, faldende mellem ultrafiltreringsmembraner (10-100 nm, høj flux men lav afvisning) og omvendt osmose membraner (høj afvisning men lav flux, højt energiforbrug). Nanofiltreringsmembraner kan effektivt tilbageholde tungmetalioner, mens de giver transportkanaler til vandmolekyler gennem nanoporer, hvilket gør dem til en banebrydende teknologi til behandling af tungmetalforurenet spildevand.

Adskillelsesmekanismer:

Størrelse Screening: Baseret på forskellen i radius mellem de tilbageholdte og gennemtrængte materialer. Nanofiltreringsmembranporestørrelser er større end diameteren af ​​vandmolekyler (0,4 nm), men kan sammenlignes med diameteren af ​​hydrerede tungmetalioner, hvilket muliggør effektiv adskillelse ved at justere porestørrelsen.

Donnan Repulsion: Baseret på den elektrostatiske frastødning mellem ioner og den ladede membranoverflade. Tungmetalioner er typisk positivt ladede, derfor er en positivt ladet membranoverflade mere befordrende for at tilbageholde forurenende ioner.

Ydermere påvirker pH-værdien af ​​fødeopløsningen membranens ydeevne betydeligt: ​​På den ene side ændrer den overfladeladningen og graden af ​​tværbinding af polymernetværket og påvirker således afvisningshastigheden og permeabiliteten; på den anden side påvirker det metalioners tilstand.

Økologiske membraner

Organiske membraner fremstilles typisk under anvendelse af polymermaterialer, såsom polysulfon, celluloseacetat, polyvinylidenfluorid, polyethersulfon, polydimethylsiloxan, polyethylen, polycarbonat og polyimid. Blandt disse er polyamid det mest udbredte materiale til fremstilling af nanofiltreringsmembraner, der udviser fremragende ydeevne ved afsaltning af havvand.

Uorganiske membraner

Uorganiske membraner har fremragende kemisk og termisk stabilitet og kan danne en ensartet porestruktur. Keramiske materialer, glas, metaller, zeolitter, silica, palladiumlegeringer og to-dimensionelle materialer er blevet brugt til fremstilling af uorganiske membraner. Keramiske membraner er lavet af metaloxider og deres derivater, såsom TiO2, SiO2, ZrO2 og Al2O3.

Hybrid matrix membraner
Hybride matrixmembraner kombinerer opløsningens bearbejdelighed af polymerer med den fremragende permeabilitet af nanofill-additiver, der sigter mod samtidig at forbedre permeabiliteten og selektiviteten. De almindeligt anvendte tilsætningsstoffer omfatter:

• MOF'er: Når MOF NH₂-MIL-125(Ti) er inkorporeret ved 0,010 vægt%, når vandpermeabiliteten 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, og Ni²⁺-afvisningsraten er 90,9%.
• COF'er: Efter inkorporering af hydrofile triazin-COF'er når vandfluxen 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, og Zn²⁺- og Pb²⁺-afvisningsraterne er henholdsvis 93,8 % og 92,4 %.
• GO (to-dimensionelt materiale): Efter inkorporering af chitosan i GO, når vandfluxen 55 L·m⁻²·h⁻¹, og Mn²⁺-afvisningsraten er 85%.
• ZnO nanopartikler: Forbedre membranhydrofilicitet, reducere overfladeruhed og forbedre antifouling egenskaber.

Fase inversion metode

Denne metode, der først blev introduceret til membranteknologi af Loeb og Sourajan i 1960, giver mulighed for en-fremstilling af de selektive lag og støttelag. Membranens mikrostruktur kan styres ved at justere polymerkoncentration, opløsningsmiddel- og koagulationsbadtype, additiver og miljøforhold. For eksempel:

• cGO-doteret PPSU-membran: Vandpermeabiliteten steg fra 2,1 til 3,5 L·m⁻²·h⁻¹ med afvisningsrater på 99 %, 98 %, 82 %, 82 % og 87 % for H₂AsO₄, HCrO₄, P²₄, P²+ Zn²⁺, henholdsvis.
• CS-EDTA-mGO/PES-membran (magnetisk feltassisteret): Vandflux nåede 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ afvisningsprocent 98,2 %, Cd²⁺ afvisningsrate 93,6 %
• B-Cur nanopartikel/PES-membran: Afvisningshastigheder på over 99 % for Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ og Ni²⁺

Grænsefladepolymerisationsmetode

Grænsefladepolymerisering er en af ​​de mest anvendte nanofiltreringsmembranfremstillingsteknikker. Det involverer nedsænkning af substratmembranen i en vandig opløsning indeholdende aminmonomerer, efterfulgt af at bringe den i kontakt med en organisk opløsning indeholdende acylchloridmonomerer, hvilket danner et ultratyndt polyamidlag ved grænsefladen. Almindeligt anvendte monomerer er piperazin og trimesoylchlorid.

• COF nanopartikel-doterede polyamidmembraner: Vandpermeabiliteten steg med 67 % (til 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), med Cu²⁺, Mn²⁺ og Pb²⁺ afvisningsrater på henholdsvis 98,3 %, 98,4 %, 98,4 %.
• BHDA-comonomers deltagelse i grænsefladepolymerisation: Vandflux steg med 2,4 gange (til 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), med Cu²⁺, Zn²⁺ og Pb²⁺ afvisningsrater på henholdsvis 96,5 %, 96,2 % og 88,4 %.
• Grænsefladepolymerisation ved lav-temperatur (-15 grader): Membrantykkelsen faldt, og vandfluxen nåede 19,2. L·m⁻²·h⁻1·bar⁻1 var retentionshastighederne for Mn²+, Cd2+ og Cu2+ henholdsvis 97,9 %, 87,7 % og 93,9 %.

Dyppe-belægningsmetode

Dyppe-coatingmetoden er enkel at betjene, økonomisk, effektiv, spild-fri og energi-effektiv. Substratet nedsænkes i opløsningen af ​​det aktive materiale og får lov at stå i et stykke tid, hvorefter det trækkes op med konstant hastighed, hvilket tillader opløsningsmidlet at fordampe og danne en film.

• Positivt ladet tvær-bundet PEI-membran (keramisk substrat): Vandflux steg fra 32 til 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, med afvisningsrater på 99,8 % for Cu²⁺, 96,8 % for As⁵⁶⁺ og 96,8 % for Cr.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % for Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ og Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ præ-kompleks membran: Vandflux 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, retentionshastighederne for Zn²⁺, Ni²⁺ og Cd²⁺ var henholdsvis 91,8 %, 83,2 % og 75,6 %

Overflademodifikation/funktionalisering

Overflademodifikation kan konstruere ultratynde lag på nanofiltreringsmembranens overflade, hvilket samtidig forbedrer selektivitet og permeabilitet.

• 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 % for Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ og Cu²⁺ og en afvisningsprocent på 92 % for Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs modificeret PES-membran: Vandflux steg fra 4,25 til 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95 % for Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ og Ni²⁺.

Nanofiltreringsmembranteknologi har gjort betydelige fremskridt inden for fjernelse af tungmetalioner. Ved rationelt at vælge membranmaterialer og forberedelsesprocesser kan mikrostrukturen af ​​nanofiltreringsmembraner kontrolleres, hvilket væsentligt forbedrer vandflux og afvisningshastigheder for tungmetalioner.

Fremtidige udviklingsretninger:

• Ionselektivitet: I den virkelige-verden eksisterer forurenet vand flere metalioner sammen. Det er nødvendigt at udvikle nanofiltreringsmembraner, der er i stand til selektivt at tilbageholde specifikke metalioner for at nå de dobbelte mål med vandrensning og metalgenvinding.
• Membranstabilitet: Nuværende forskning har korte testcyklusser, og ydeevnen af ​​de fleste membraner forringes over tid. Yderligere krydsbinding eller introduktion af stabile uorganiske nanopartikler er nødvendig for at forbedre membranstabiliteten.
• Antifouling Ydeevne: Membranbegroning er en almindelig udfordring inden for membranteknologi. Overfladeteknik (såsom at konstruere positivt ladede overflader for at danne vandlag) er nødvendig for at afbøde eller forhindre adsorption af forurenende stoffer.
• Driftstilstand: De fleste undersøgelser anvender blind{0}}filtrering, der negligerer problemet med metalionadsorption i membranen. Industrielle applikationer kræver tværgående-flowdriftstilstande, og der bør lægges mere vægt på den langsigtede-ydelse af membraner under denne tilstand.