Jak výkonné jsou nanofiltrační membrány pro odstraňování těžkých kovů?

Úprava vody kontaminované těžkými kovy je žhavým tématem v oblasti životního prostředí. Nedávný přehled systematicky shrnuje pokrok ve výzkumu nanofiltračních membrán při odstraňování iontů těžkých kovů a odhaluje, že díky inovacím materiálů a optimalizaci procesu lze průtok vody nanofiltrační membránou zvýšit více než 3krát a rychlost odstraňování různých iontů těžkých kovů, jako jsou Cu²⁺, Pb²⁺ a Cd²⁺, může dosáhnout více než 99 %, což poskytuje účinné a udržitelné řešení pro úpravu vody.

Globální krize nedostatku sladké vody ohrožuje životy více než 1,8 miliardy lidí. Tento problém má dva hlavní důvody: za prvé, mořská voda tvoří velkou většinu globálních vodních zdrojů, zatímco množství využitelné sladké vody je omezené; za druhé, vypouštění odpadních vod vede ke stále vážnějšímu znečištění sladkých vod. Přestože technologie odsolování mořské vody zaznamenala v posledních letech významný pokrok, nadměrné ionty těžkých kovů (jako je Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ atd.) v odpadních vodách mohou kontaminovat odsolenou vodu a dokonce způsobit toxicitu v lidském těle.

Proto je zvláště důležitý vývoj technologií pro účinné odstraňování stopových množství toxických těžkých kovů ze znečištěné vody, protože tím lze současně dosáhnout dvou cílů: získat více sladké vody a obnovit cenné zdroje.

Nanofiltrační membrány mají velikost pórů mezi 0,5-}2 nm, spadají mezi ultrafiltrační membrány (10-100 nm, vysoký tok, ale nízká propustnost) a membrány s reverzní osmózou (vysoká propustnost, ale nízký tok, vysoká spotřeba energie). Nanofiltrační membrány mohou účinně zadržovat ionty těžkých kovů a zároveň poskytovat transportní kanály pro molekuly vody přes nanopóry, což z nich činí špičkovou technologii pro čištění odpadních vod kontaminovaných těžkými kovy.

Separační mechanismy:

Třídění velikosti: Na základě rozdílu v poloměru mezi zadrženým a prostoupeným materiálem. Velikost pórů nanofiltrační membrány je větší než průměr molekul vody (0,4 nm), ale srovnatelná s průměrem hydratovaných iontů těžkých kovů, což umožňuje účinnou separaci úpravou velikosti pórů.

Donnanovo odpuzování: Založeno na elektrostatickém odpuzování mezi ionty a nabitým povrchem membrány. Ionty těžkých kovů jsou typicky kladně nabité, a proto kladně nabitý povrch membrány více přispívá k zadržování iontů znečišťujících látek.

Kromě toho pH napájecího roztoku významně ovlivňuje výkonnost membrány: na jedné straně mění povrchový náboj a stupeň zesíťování-síťování polymeru, čímž ovlivňuje rychlost vyřazování a propustnost; na druhé straně ovlivňuje stav kovových iontů.

Organické membrány

Organické membrány se typicky připravují za použití polymerních materiálů, jako je polysulfon, acetát celulózy, polyvinylidenfluorid, polyethersulfon, polydimethylsiloxan, polyethylen, polykarbonát a polyimid. Mezi nimi je polyamid nejrozšířenějším materiálem při přípravě nanofiltračních membrán a vykazuje vynikající výkon při odsolování mořské vody.

Anorganické membrány

Anorganické membrány mají vynikající chemickou a tepelnou stabilitu a mohou vytvářet jednotnou strukturu pórů. Při přípravě anorganických membrán byly použity keramické materiály, sklo, kovy, zeolity, oxid křemičitý, slitiny palladia a dvou{1}}dimenzionální materiály. Keramické membrány jsou vyrobeny z oxidů kovů a jejich derivátů, jako je Ti02, Si02, Zr02 a Al203.

Hybridní maticové membrány
Hybridní matricové membrány kombinují zpracovatelnost polymerů v roztoku s vynikající permeabilitou aditiv nanoplniv s cílem současně zlepšit permeabilitu a selektivitu. Mezi běžně používané přísady patří:

• MOFs: Když je MOF NH₂{0}}MIL-125(Ti) začleněn v množství 0,010 % hmotn., propustnost vody dosáhne 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ a míra vyřazení Ni2⁺ je 90,9 %.
• COFs: Po začlenění hydrofilních triazinových-COFs dosahuje průtok vody 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ a míra odmítnutí Zn²⁺ a Pb²⁺ je 93,8 % a 92,4 %.
• GO (dvo-rozměrný materiál): Po začlenění chitosanu do GO dosáhne průtok vody 55 L·m⁻²·h⁻¹ a míra odmítnutí Mn²⁺ je 85 %.
• Nanočástice ZnO: Zlepšují hydrofilnost membrány, snižují drsnost povrchu a zlepšují vlastnosti proti znečištění.

Metoda fázové inverze

Tato metoda, kterou poprvé zavedli do membránové technologie Loeb a Sourajan v roce 1960, umožňuje jednokrokovou výrobu selektivních a nosných vrstev. Mikrostrukturu membrány lze řídit úpravou koncentrace polymeru, typu rozpouštědla a koagulační lázně, přísad a podmínek prostředí. Například:

• Membrána PPSU dopovaná cGO{0}}: Propustnost pro vodu se zvýšila z 2,1 na 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, s mírou odmítnutí 99 %, 98 %, 82 %, 82 % a 87 % pro H₂AsO₄, HCrO₄⁻, C, C⁻ Zn²⁺, resp.
• Membrána CS-EDTA-mGO/PES (pomocí magnetického pole): Tok vody dosáhl 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, míra odmítnutí Pb²⁺ 98,2 %, míra odmítnutí Cd²⁺ 93,6 %
• Membrána B-Cur nanočástice/PES: Míra odmítnutí přesahující 99 % pro Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ a Ni²⁺

Metoda mezifázové polymerace

Mezifázová polymerizace je jednou z nejpoužívanějších technik přípravy nanofiltrační membrány. Zahrnuje ponoření substrátové membrány do vodného roztoku obsahujícího aminové monomery s následným uvedením do kontaktu s organickým roztokem obsahujícím acylchloridové monomery, čímž se na rozhraní vytvoří ultratenká polyamidová vrstva. Běžně používané monomery jsou piperazin a trimesoylchlorid.

• Polyamidové membrány dopované nanočásticemi- COF: Propustnost pro vodu se zvýšila o 67 % (na 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), přičemž míra odmítnutí Cu²⁺, Mn²⁺ a Pb²⁺ byla 98,3 %, respektive 991,9 %.
• Účast komonomeru BHDA na mezifázové polymeraci: Tok vody se zvýšil 2,4krát (na 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), s mírami odmítnutí Cu2+, Zn2+ a Pb2+ 96,5 %, 96,2 % a 88,4 %.
• Nízká-teplotní mezifázová polymerizace (-15 stupňů): Tloušťka membrány se snížila a tok vody dosáhl 19,2. L·m⁻2·h⁻1·bar⁻1, míry retence pro Mn2+, Cd2+ a Cu2+ byly 97,9 %, 87,7 % a 93,9 %.

Metoda namáčení-

Metoda ponořování-se snadno ovládá, je ekonomická, efektivní, -bezodpadová a energeticky-účinná. Substrát se ponoří do roztoku aktivního materiálu a nechá se stát po určitou dobu, potom se vytáhne konstantní rychlostí, což umožní odpaření rozpouštědla a vytvoření filmu.

• Pozitivně nabitá zesíťovaná PEI membrána (keramický substrát): Tok vody se zvýšil z 32 na 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, s mírou odmítnutí 99,8 % pro Cu²⁺, 96,8 % pro As⁵,⁺ a 97,2 % pro Cr
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % pro Cd2⁺, Pb2⁺, Zn2⁺ a Ni2⁺.
• PEI/Cu²⁺ pre-komplexovaná membrána: Průtok vody 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, míry retence pro Zn2⁺, Ni2⁺ a Cd2⁺ byly 91,8 %, 83,2 % a 75,6 %.

Úprava/funkcionalizace povrchu

Modifikace povrchu může vytvořit ultratenké vrstvy na povrchu nanofiltrační membrány a současně zlepšit selektivitu a propustnost.

• 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 % pro Zn2⁺, Cd2⁺, Ni2⁺ a Cu2⁺, a míra odmítnutí 92 % pro Pb2⁺.
• CNFs-co{1}}Cs modifikovaná PES membrána: průtok vody se zvýšil ze 4,25 na 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95 % pro Cd2⁺, Pb2⁺, Cu2⁺, Zn2⁺ a Ni2⁺.

Technologie nanofiltrační membrány zaznamenala významný pokrok v oblasti odstraňování iontů těžkých kovů. Racionálním výběrem membránových materiálů a procesů přípravy může být řízena mikrostruktura nanofiltračních membrán, což výrazně zlepšuje průtok vody a rychlost odmítání iontů těžkých kovů.

Směry budoucího vývoje:

• Iontová selektivita: Ve skutečném-světě znečištěné vodě koexistuje několik kovových iontů. Je nutné vyvinout nanofiltrační membrány schopné selektivně zadržovat specifické kovové ionty, aby bylo dosaženo dvojích cílů čištění vody a regenerace kovů.
• Stabilita membrán: Současný výzkum má krátké testovací cykly a výkon většiny membrán se časem zhoršuje. Ke zlepšení stability membrány je zapotřebí další zesíťování{1}}nebo zavedení stabilních anorganických nanočástic.
• Účinnost proti znečištění: Zanášení membrán je běžnou výzvou v technologii membrán. Pro zmírnění nebo prevenci adsorpce znečišťujících látek je zapotřebí povrchové inženýrství (jako je konstrukce kladně nabitých povrchů za účelem vytvoření vodních vrstev).
• Provozní režim: Většina studií využívá slepou{0}}filtraci a zanedbává problém adsorpce kovových iontů v membráně. Průmyslové aplikace vyžadují provozní režimy s křížovým{2}}průtokem a více pozornosti by se mělo věnovat dlouhodobému-výkonu membrán v tomto režimu.