Наскільки потужні нанофільтраційні мембрани для видалення важких металів?

Очищення води, забрудненої важкими металами, є гарячою темою в екологічній сфері. Нещодавній огляд систематично підсумовує прогрес досліджень нанофільтраційних мембран у видаленні іонів важких металів, показуючи, що завдяки інноваційним матеріалам та оптимізації процесу потік води нанофільтраційної мембрани можна збільшити більш ніж у 3 рази, а швидкість видалення різних іонів важких металів, таких як Cu²⁺, Pb²⁺ і Cd²⁺, може досягати понад 99%, забезпечуючи ефективне та стійке рішення для очищення води.

Глобальна криза дефіциту прісної води загрожує життю понад 1,8 мільярда людей. Є дві основні причини такого скрутного становища: по-перше, морська вода становить переважну більшість світових водних ресурсів, тоді як кількість придатної для використання прісної води обмежена; по-друге, скидання стічних вод призводить до дедалі серйознішого забруднення прісної води. Хоча технологія опріснення морської води досягла значного прогресу за останні роки, надмірна кількість іонів важких металів (таких як Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ тощо) у стічних водах може забруднювати опріснену воду та навіть спричиняти смерть через їх накопичення та токсичність в організмі людини.

Тому розробка технологій для ефективного видалення незначних кількостей токсичних важких металів із забрудненої води є особливо важливою, оскільки це може одночасно досягти двох цілей: отримати більше прісної води та відновити цінні ресурси.

Мембрани для нанофільтрації мають розмір пор від 0,5-2 нм, що знаходиться між ультрафільтраційними мембранами (10-100 нм, високий потік, але низьке відхилення) і мембранами зворотного осмосу (високе відхилення, але низький потік, високе споживання енергії). Нанофільтраційні мембрани можуть ефективно утримувати іони важких металів, одночасно забезпечуючи транспортні канали для молекул води через нанопори, що робить їх передовою технологією для очищення забруднених важкими металами стічних вод.

Механізми поділу:

Відбір розміру: на основі різниці в радіусі між матеріалами, що зберігаються, і матеріалами, що проникають. Розмір пор нанофільтраційної мембрани більший за діаметр молекул води (0,4 нм), але порівнянний з діаметром гідратованих іонів важких металів, що забезпечує ефективне розділення шляхом регулювання розміру пор.

Відштовхування Доннана: засноване на електростатичному відштовхуванні між іонами та зарядженою поверхнею мембрани. Іони важких металів, як правило, позитивно заряджені, тому позитивно заряджена поверхня мембрани є більш сприятливою для утримання іонів забруднюючих речовин.

Крім того, рН живильного розчину суттєво впливає на продуктивність мембрани: з одного боку, він змінює поверхневий заряд і ступінь перехресного -зшивання полімерної сітки, таким чином впливаючи на швидкість відторгнення та проникність; з іншого боку, це впливає на стан іонів металів.

Органічні мембрани

Органічні мембрани зазвичай готують із застосуванням полімерних матеріалів, таких як полісульфон, ацетат целюлози, полівініліденфторид, поліефірсульфон, полідиметилсилоксан, поліетилен, полікарбонат і поліімід. Серед них поліамід є найбільш широко використовуваним матеріалом для підготовки нанофільтраційних мембран, демонструючи чудові характеристики в опрісненні морської води.

Неорганічні мембрани

Неорганічні мембрани мають чудову хімічну та термічну стабільність і можуть утворювати однорідну структуру пор. Для виготовлення неорганічних мембран використовуються керамічні матеріали, скло, метали, цеоліти, кремнезем, сплави паладію та двовимірні матеріали. Керамічні мембрани виготовляються з оксидів металів та їх похідних, таких як TiO₂, SiO₂, ZrO₂ та Al₂O₃.

Гібридні матричні мембрани
Гібридні матричні мембрани поєднують здатність полімерів перероблятися в розчині з відмінною проникністю добавок нанонаповнювачів, прагнучи одночасно покращити проникність і селективність. Зазвичай використовувані добавки включають:

• MOF: коли MOF NH₂-MIL-125(Ti) включено у кількості 0,010% мас., водопроникність досягає 12,2 л·м⁻²·год⁻¹·бар⁻¹, а рівень відторгнення Ni²⁺ становить 90,9%.
• COF: після включення гідрофільних триазин-COF потік води сягає 15 л·м⁻²·год⁻¹·бар⁻¹, а рівень відторгнення Zn²⁺ і Pb²⁺ становить 93,8% і 92,4% відповідно.
• GO (дво{0}}вимірний матеріал): після додавання хітозану в GO потік води досягає 55 л·м⁻²·год⁻¹, а ступінь відторгнення Mn²⁺ становить 85%.
• Наночастинки ZnO: покращують гідрофільність мембрани, зменшують шорсткість поверхні та покращують властивості проти обростання.

Метод інверсії фази

Цей метод, вперше представлений у технології мембран Лебом і Сураджаном у 1960 році, дозволяє одноетапне-виготовлення селективного та опорного шарів. Мікроструктуру мембрани можна контролювати, регулюючи концентрацію полімеру, тип розчинника та коагуляційної ванни, добавки та умови навколишнього середовища. Наприклад:

• Мембрана PPSU, легована cGO-: водопроникність зросла з 2,1 до 3,5 л·м⁻²·год⁻¹, із показниками браку 99%, 98%, 82%, 82% і 87% для H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ і Zn²⁺, відповідно.
• Мембрана CS-EDTA-mGO/PES (з підтримкою магнітного поля): потік води досяг 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, рівень відторгнення Pb²⁺ 98,2%, коефіцієнт відторгнення Cd²⁺ 93,6%
• Мембрана з наночастинок B-Cur/PES: рівень відхилення понад 99% для Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ і Ni²⁺

Метод міжфазної полімеризації

Міжфазна полімеризація є одним із найбільш широко використовуваних методів виготовлення нанофільтраційних мембран. Він передбачає занурення субстратної мембрани у водний розчин, що містить мономери аміну, з подальшим контактуванням її з органічним розчином, що містить мономери ацилхлориду, утворюючи надтонкий поліамідний шар на межі розділу. Зазвичай використовуваними мономерами є піперазин і тримезоілхлорид.

• Поліамідні мембрани, леговані -наночастинками COF: водопроникність зросла на 67% (до 10,8 л·м⁻²·год⁻¹·бар⁻¹), а рівень відторгнення Cu²⁺, Mn²⁺ і Pb²⁺ становив 98,3%, 98,4% і 91,9% відповідно.
• Участь сомономера BHDA у міжфазній полімеризації: потік води зріс у 2,4 рази (до 12,9 л·м⁻²·год⁻¹), причому рівень відторгнення Cu²⁺, Zn²⁺ і Pb²⁺ становив 96,5%, 96,2% і 88,4% відповідно.
• Низько{0}}температурна міжфазна полімеризація (-15 градусів): товщина мембрани зменшилася, а потік води досяг 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, коефіцієнти утримання Mn²⁺, Cd²⁺ і Cu²⁺ становили 97,9%, 87,7% і 93,9% відповідно.

Метод-нанесення покриття зануренням

Метод-покриття зануренням є простим у експлуатації, економічним, ефективним,-безвідходним та-енергоефективним. Субстрат занурюють у розчин активного матеріалу і дають йому постояти протягом деякого часу, потім підтягують із постійною швидкістю, дозволяючи розчиннику випаруватися та утворити плівку.

• Позитивно заряджена поперечно{0}}зшита мембрана PEI (керамічна підкладка): потік води збільшився з 32 до 82 л·м⁻²·год⁻¹·бар⁻¹, із коефіцієнтом відторгнення 99,8% для Cu²⁺, 96,8% для As5⁺ та 97,2% для Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% для Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ і Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ пре{0}}комплексна мембрана: потік води 8,1 л·м⁻²·год⁻¹·бар⁻¹, показники утримання для Zn²⁺, Ni²⁺ і Cd²⁺ становили 91,8%, 83,2% і 75,6% відповідно.

Модифікація/функціоналізація поверхні

Модифікація поверхні може створювати ультратонкі шари на поверхні нанофільтраційної мембрани, одночасно покращуючи селективність і проникність.

• 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% для Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ і Cu²⁺, а рівень браку 92% для Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs модифікована PES мембрана: потік води збільшено з 4,25 до 13,58 л·м⁻²·год⁻¹·бар⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% для Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ і Ni²⁺.

Технологія мембранної нанофільтрації досягла значного прогресу в області видалення іонів важких металів. Раціонально підбираючи мембранні матеріали та процеси підготовки, можна контролювати мікроструктуру нанофільтраційних мембран, значно покращуючи потік води та швидкість відторгнення іонів важких металів.

Майбутні напрямки розвитку:

• Іонна селективність: у реальній-забрудненій воді співіснують кілька іонів металів. Необхідно розробити нанофільтраційні мембрани, здатні вибірково утримувати специфічні іони металів для досягнення подвійних цілей очищення води та відновлення металу.
• Стабільність мембран: поточні дослідження мають короткі цикли тестування, і продуктивність більшості мембран з часом погіршується. Для покращення стабільності мембрани необхідне подальше перехресне -зшивання або введення стабільних неорганічних наночастинок.
• Ефективність захисту від обростання: забруднення мембрани є поширеною проблемою в мембранній технології. Поверхнева інженерія (наприклад, створення позитивно заряджених поверхонь для формування шарів води) необхідна для пом’якшення або запобігання адсорбції забруднюючих речовин.
• Режим роботи: у більшості досліджень використовується-тупикова фільтрація, нехтуючи проблемою адсорбції іонів металу всередині мембрани. Промислове застосування потребує перехресних-режимів роботи, і більше уваги слід приділяти довгостроковій-ефективності мембран у цьому режимі.