غشاهای نانوفیلتراسیون برای حذف فلزات سنگین چقدر قدرتمند هستند؟

تصفیه آب آلوده به فلزات سنگین یک موضوع داغ در زمینه محیط زیست است. یک بررسی اخیر به طور سیستماتیک پیشرفت تحقیقات غشاهای نانوفیلتراسیون را در حذف یون‌های فلزات سنگین خلاصه می‌کند و نشان می‌دهد که از طریق نوآوری مواد و بهینه‌سازی فرآیند، شار آب غشای نانوفیلتراسیون را می‌توان بیش از 3 برابر افزایش داد و میزان حذف یون‌های مختلف فلزات سنگین مانند Cu2+، Pb2+، و یک محلول آب کارآمد بیش از 9+ و Cd2+ را فراهم کرد.

بحران جهانی کمبود آب شیرین زندگی بیش از 1.8 میلیارد نفر را تهدید می کند. دو دلیل اصلی برای این مخمصه وجود دارد: اول، آب دریا اکثریت قریب به اتفاق منابع آب جهانی را تشکیل می دهد، در حالی که مقدار آب شیرین قابل استفاده محدود است. دوم، تخلیه فاضلاب منجر به آلودگی شدید آب شیرین می شود. اگرچه فناوری نمک‌زدایی آب دریا در سال‌های اخیر پیشرفت قابل‌توجهی داشته است، یون‌های فلزات سنگین بیش از حد (مانند Zn2+، Cu2+، Fe2+، Hg2+، Cd2+، Pb2+، Cr6+، و غیره) در فاضلاب‌ها می‌توانند باعث آلودگی بدن انسان و حتی مرگ آن‌ها به دلیل سمیت آب شوند.

بنابراین، توسعه فن‌آوری‌هایی برای حذف مؤثر مقادیر کمی از فلزات سنگین سمی از آب‌های آلوده اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا این امر می‌تواند به طور همزمان به دو هدف دست یابد: دستیابی به آب شیرین بیشتر و بازیابی منابع ارزشمند.

غشاهای نانوفیلتراسیون دارای منافذی بین 0.5{3}}2 نانومتر هستند که بین غشاهای اولترافیلتراسیون (10{4}}100 نانومتر، شار زیاد اما دفع کم) و غشاهای اسمز معکوس (دفع زیاد اما شار کم، مصرف انرژی بالا) قرار دارند. غشاهای نانوفیلتراسیون می‌توانند به طور موثر یون‌های فلزات سنگین را حفظ کنند و در عین حال کانال‌های انتقال مولکول‌های آب را از طریق نانوحفره‌ها فراهم کنند و آنها را به یک فناوری پیشرفته برای تصفیه فاضلاب آلوده به فلزات سنگین تبدیل کنند.

مکانیسم های جداسازی:

اندازه غربالگری: بر اساس تفاوت در شعاع بین مواد باقی مانده و نفوذ شده. اندازه منافذ غشای نانوفیلتراسیون بزرگتر از قطر مولکول‌های آب (0.4 نانومتر) است، اما با قطر یون‌های فلز سنگین هیدراته شده قابل مقایسه است و با تنظیم اندازه منافذ امکان جداسازی مؤثر را فراهم می‌کند.

دافعه دانان: بر اساس دافعه الکترواستاتیکی بین یون ها و سطح غشا باردار است. یون‌های فلزات سنگین معمولاً دارای بار مثبت هستند، بنابراین سطح غشایی با بار مثبت برای حفظ یون‌های آلاینده مساعدتر است.

علاوه بر این، pH محلول خوراک به طور قابل توجهی بر عملکرد غشاء تأثیر می‌گذارد: از یک سو، بار سطحی و درجه اتصال متقابل-شبکه پلیمری را تغییر می‌دهد، بنابراین بر میزان دفع و نفوذپذیری تأثیر می‌گذارد. از طرفی بر وضعیت یون های فلزی تأثیر می گذارد.

غشاهای ارگانیک

غشاهای آلی معمولاً با استفاده از مواد پلیمری مانند پلی سولفون، استات سلولز، پلی وینیلیدین فلوراید، پلی اتر سولفون، پلی دی متیل سیلوکسان، پلی اتیلن، پلی کربنات و پلی آمید تهیه می شوند. در این میان، پلی آمید پرکاربردترین ماده در تهیه غشای نانوفیلتراسیون است که عملکرد عالی در نمک‌زدایی آب دریا از خود نشان می‌دهد.

غشاهای غیر آلی

غشاهای معدنی دارای پایداری شیمیایی و حرارتی عالی هستند و می توانند یک ساختار منفذی یکنواخت ایجاد کنند. مواد سرامیکی، شیشه، فلزات، زئولیت ها، سیلیس، آلیاژهای پالادیوم و مواد دو بعدی در تهیه غشاهای معدنی استفاده شده است. غشاهای سرامیکی از اکسیدهای فلزی و مشتقات آنها مانند TiO2، SiO2، ZrO2 و Al2O3 ساخته می شوند.

غشای ماتریکس هیبریدی
غشاهای ماتریس هیبریدی فرآیند پذیری محلول پلیمرها را با نفوذپذیری عالی افزودنی های نانوپرکننده ترکیب می کنند و هدف آن بهبود نفوذپذیری و گزینش پذیری همزمان است. مواد افزودنی رایج عبارتند از:

• MOFs: وقتی MOF NH2-MIL-125(Ti) در 0.010% وزنی گنجانده شود، نفوذپذیری آب به 12.2 L·m-2·h-1·bar-1 می رسد و نرخ دفع Ni2+ 90.9٪ است.
• COFs: پس از ادغام تریازین{0}}COFهای آبدوست، شار آب به 15 L·m-2·h-1·bar-1 می رسد و نرخ دفع روی و Pb2+ به ترتیب 93.8٪ و 92.4٪ است.
• GO (مواد دو بعدی): پس از ادغام کیتوزان در GO، شار آب به 55 L·m-2·h-1 می رسد و نرخ دفع Mn2+ 85٪ است.
• نانوذرات ZnO: آب دوستی غشاء را بهبود می بخشد، زبری سطح را کاهش می دهد و خاصیت ضد رسوب را افزایش می دهد.

روش وارونگی فاز

این روش که برای اولین بار توسط Loeb و Sourajan در سال 1960 به فناوری غشایی معرفی شد، امکان ساخت یک مرحله‌ای لایه‌های انتخابی و پشتیبانی را فراهم می‌کند. ریزساختار غشا را می توان با تنظیم غلظت پلیمر، نوع حمام حلال و انعقاد، مواد افزودنی و شرایط محیطی کنترل کرد. به عنوان مثال:

• غشاء PPSU دوپ شده با cGO{0}: نفوذپذیری آب از 2.1 به 3.5 L·m-2·h-1 افزایش یافته است، با نرخ رد 99٪، 98٪، 82٪، 82٪، و 87٪ برای H2AsO4، HCrO4، HCrO4، C2-d, HCrO4، و Zn²⁺، به ترتیب.
• غشاء CS-EDTA-mGO/PES (با کمک میدان مغناطیسی): شار آب به 84.2 رسید. L·m-2·h-1، Pb2+ میزان رد 98.2٪، Cd2+ نرخ رد 93.6٪
• B-غشا نانوذرات Cur/PES: نرخ رد بیش از 99% برای Fe2+، Cu2+، Pb2+، Mn2+، Zn2+، و Ni2+

روش پلیمریزاسیون سطحی

پلیمریزاسیون سطحی یکی از پرکاربردترین تکنیک های آماده سازی غشای نانوفیلتراسیون است. این شامل غوطه ور کردن غشای بستر در یک محلول آبی حاوی مونومرهای آمین، و سپس تماس آن با محلول آلی حاوی مونومرهای کلرید آسیل است و یک لایه پلی آمید فوق نازک در سطح مشترک ایجاد می کند. مونومرهای رایج مورد استفاده پیپرازین و تریمسوئیل کلرید هستند.

• غشاهای پلی آمید دوپ شده با نانوذرات COF: نفوذپذیری آب به میزان 67% (به 10.8 L·m-2·h-1·bar-1) افزایش یافت، با نرخ های دفع Cu2+، Mn2+ و Pb2+ به ترتیب 98.3% و 98.9%، 98.3% و 98.9%
• مشارکت کومونومر BHDA در پلیمریزاسیون سطحی: شار آب 2.4 برابر (به 12.9 L·m-2·h-1) افزایش یافت، با نرخ دفع Cu2+، Zn2+ و Pb2+ به ترتیب 96.5٪، 96.2٪ و 88.4٪.
• پلیمریزاسیون سطحی-درجه حرارت پایین (-15 درجه): ضخامت غشاء کاهش یافت و شار آب به 19.2 رسید. L·m-2·h-1·bar-1، میزان ماندگاری برای Mn2+، Cd2+ و Cu2+ به ترتیب 97.9٪، 87.7٪ و 93.9٪ بود.

روش پوشش{0}}دیپ

روش پوشش{0}}در عملکرد ساده، مقرون به صرفه، کارآمد، بدون اتلاف-و انرژی{2}} کارآمد است. زیرلایه در محلول ماده فعال غوطه ور می شود و اجازه می دهد برای مدتی بماند، سپس با سرعت ثابت به سمت بالا کشیده می شود و به حلال اجازه تبخیر و تشکیل یک فیلم را می دهد.

• غشاء PEI متصل{0}مثبت (زیرلایه سرامیکی): شار آب از 32 به 82 L·m-2·h-1·bar-1 افزایش یافت، با نرخ رد 99.8% برای Cu2+، 96.8% برای As59+C.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95٪ برای Cd2+، Pb2+، Zn2+، و Ni2+.
• PEI/Cu²+ غشاء پیش{0} پیچیده: شار آب 8.1 L·m-2·h-1·bar-1، نرخ ماندگاری برای Zn2+، Ni2+، و Cd2+ به ترتیب 91.8٪، 83.2٪ و 75.6٪ بود.

تغییر سطح / عملکرد

اصلاح سطح می تواند لایه های فوق نازک را روی سطح غشای نانوفیلتراسیون بسازد و به طور همزمان گزینش پذیری و نفوذپذیری را بهبود بخشد.

• 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٪ برای Zn2+، Cd2+، Ni2+، و Cu2+، و نرخ رد 92٪ برای Pb2+.
• غشای PES اصلاح شده CNFs-co-Cs: شار آب از 4.25 به 13.58 L·m-2·h-1·bar-1 افزایش یافت
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95٪ برای Cd2+، Pb2+، Cu2+، Zn2+، و Ni2+.

فناوری غشای نانوفیلتراسیون پیشرفت چشمگیری در زمینه حذف یون فلزات سنگین داشته است. با انتخاب منطقی مواد غشایی و فرآیندهای آماده سازی، می توان ریزساختار غشاهای نانوفیلتراسیون را کنترل کرد و به طور قابل توجهی شار آب و نرخ دفع یون فلزات سنگین را بهبود بخشید.

مسیرهای توسعه آینده:

• انتخاب‌پذیری یون: در آب‌های آلوده{0}در دنیای واقعی، یون‌های فلزی متعددی وجود دارند. برای دستیابی به اهداف دوگانه تصفیه آب و بازیابی فلز، توسعه غشاهای نانوفیلتراسیون با قابلیت نگهداری انتخابی یون های فلزی خاص ضروری است.
• پایداری غشاء: تحقیقات کنونی دارای چرخه‌های آزمایش کوتاه است و عملکرد اکثر غشاها در طول زمان بدتر می‌شود. برای بهبود پایداری غشاء، پیوند متقابل{1} یا معرفی نانوذرات معدنی پایدار بیشتر مورد نیاز است.
• عملکرد ضد رسوب: رسوب غشایی یک چالش رایج در فناوری غشاء است. مهندسی سطح (مانند ساخت سطوح با بار مثبت برای تشکیل لایه‌های آب) برای کاهش یا جلوگیری از جذب آلاینده مورد نیاز است.
• حالت عملیاتی: اکثر مطالعات از فیلتر{0}مرگ استفاده می‌کنند و مسئله جذب یون فلزی در غشا را نادیده می‌گیرند. برنامه‌های صنعتی به حالت‌های عملکرد متقابل-جریان نیاز دارند و باید توجه بیشتری به عملکرد طولانی‌مدت غشاها در این حالت معطوف شود.