Koliko su moćne nanofiltracijske membrane za uklanjanje teških metala?

Obrada vode kontaminirane teškim metalima je vruća tema u području zaštite okoliša. Nedavni pregled sustavno sažima napredak istraživanja nanofiltracijskih membrana u uklanjanju iona teških metala, otkrivajući da se kroz inovacije materijala i optimizaciju procesa, protok vode kroz nanofiltracijske membrane može povećati više od 3 puta, a stopa uklanjanja različitih iona teških metala kao što su Cu²⁺, Pb²⁺ i Cd²⁺ može doseći više od 99%, pružajući učinkovito i održivo rješenje za obradu vode.

Globalna kriza nedostatka pitke vode prijeti životima više od 1,8 milijardi ljudi. Dva su glavna razloga za ovu nevolju: prvo, morska voda čini veliku većinu globalnih vodnih resursa, dok je količina upotrebljive slatke vode ograničena; drugo, ispuštanje otpadnih voda dovodi do sve ozbiljnijeg onečišćenja slatke vode. Iako je tehnologija desalinizacije morske vode značajno napredovala posljednjih godina, prekomjerni ioni teških metala (kao što su Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, itd.) u otpadnoj vodi mogu kontaminirati desaliniziranu vodu, pa čak i uzrokovati smrt zbog njihovog nakupljanja i toksičnosti u ljudskom tijelu.

Stoga je posebno važno razvijanje tehnologija za učinkovito uklanjanje otrovnih teških metala u tragovima iz onečišćene vode, jer se time istovremeno mogu postići dva cilja: dobivanje više svježe vode i obnavljanje vrijednih resursa.

Nanofiltracijske membrane imaju veličine pora između 0,5-2 nm, koje se nalaze između ultrafiltracijskih membrana (10-100 nm, visok protok, ali nisko odbijanje) i membrana za reverznu osmozu (veliko odbijanje, ali nizak protok, velika potrošnja energije). Nanofiltracijske membrane mogu učinkovito zadržati ione teških metala dok istovremeno osiguravaju transportne kanale za molekule vode kroz nanopore, što ih čini vrhunskom tehnologijom za obradu otpadnih voda kontaminiranih teškim metalima.

Mehanizmi odvajanja:

Pregled veličine: Na temelju razlike u polumjeru između zadržanih i prožetih materijala. Veličine pora nanofiltracijske membrane veće su od promjera molekula vode (0,4 nm), ali usporedive s promjerom hidratiziranih iona teških metala, što omogućuje učinkovito odvajanje podešavanjem veličine pora.

Donnanovo odbijanje: temelji se na elektrostatskom odbijanju između iona i nabijene površine membrane. Ioni teških metala obično su pozitivno nabijeni, stoga je pozitivno nabijena površina membrane pogodnija za zadržavanje iona zagađivača.

Nadalje, pH otopine za napajanje značajno utječe na performanse membrane: s jedne strane, mijenja površinski naboj i stupanj unakrsnog -vezivanja polimerne mreže, čime utječe na stopu odbijanja i propusnost; s druge strane, utječe na stanje metalnih iona.

Organske membrane

Organske membrane se tipično pripremaju pomoću polimernih materijala, kao što su polisulfon, celulozni acetat, poliviniliden fluorid, polietersulfon, polidimetilsiloksan, polietilen, polikarbonat i poliimid. Među njima, poliamid je materijal koji se najčešće koristi u pripremi nanofiltracijskih membrana, pokazujući izvrsne performanse u desalinizaciji morske vode.

Anorganske membrane

Anorganske membrane posjeduju izvrsnu kemijsku i toplinsku stabilnost i mogu formirati jedinstvenu strukturu pora. Keramički materijali, staklo, metali, zeoliti, silicij, legure paladija i dvo{1}}dimenzionalni materijali korišteni su u pripremi anorganskih membrana. Keramičke membrane izrađene su od metalnih oksida i njihovih derivata, kao što su TiO₂, SiO₂, ZrO₂ i Al2O₃.

Hibridne matrične membrane
Hibridne matrične membrane kombiniraju mogućnost obrade polimera u otopini s izvrsnom propusnošću aditiva za nanopunila, s ciljem istodobnog poboljšanja propusnosti i selektivnosti. Uobičajeno korišteni aditivi uključuju:

• MOFs: Kada se MOF NH₂-MIL-125(Ti) ugradi u količini od 0,010 wt%, vodopropusnost doseže 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a stopa odbijanja Ni²⁺ je 90,9%.
• COF-ovi: Nakon ugradnje hidrofilnih triazin-COF-ova, protok vode doseže 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a stope odbacivanja Zn²⁺ i Pb²⁺ su 93,8% odnosno 92,4%.
• GO (dvo{0}}dimenzionalni materijal): Nakon ugradnje kitozana u GO, protok vode doseže 55 L·m⁻²·h⁻¹, a stopa odbijanja Mn²⁺ je 85%.
• Nanočestice ZnO: poboljšavaju hidrofilnost membrane, smanjuju hrapavost površine i poboljšavaju svojstva protiv obraštanja.

Metoda fazne inverzije

Ova metoda, koju su Loeb i Sourajan prvi put uveli u tehnologiju membrane 1960. godine, omogućuje-izradu selektivnih i potpornih slojeva u jednom koraku. Mikrostruktura membrane može se kontrolirati podešavanjem koncentracije polimera, vrste otapala i koagulacijske kupke, aditiva i uvjeta okoline. Na primjer:

• cGO-dopirana PPSU membrana: Propusnost vode povećana je s 2,1 na 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, sa stopama odbijanja od 99%, 98%, 82%, 82% i 87% za H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ i Zn²⁺, respektivno.
• CS-EDTA-mGO/PES membrana (potpomognuta magnetskim poljem): Protok vode dosegao je 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, stopa odbijanja Pb²⁺ 98,2%, stopa odbijanja Cd²⁺ 93,6%
• B-Cur nanočestice/PES membrana: stope odbijanja veće od 99% za Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺

Metoda međufazne polimerizacije

Interfacijalna polimerizacija jedna je od najčešće korištenih tehnika pripreme nanofiltracijskih membrana. Uključuje uranjanje supstratne membrane u vodenu otopinu koja sadrži monomere amina, nakon čega slijedi dovođenje u kontakt s organskom otopinom koja sadrži monomere acil klorida, stvarajući ultratanki poliamidni sloj na sučelju. Često korišteni monomeri su piperazin i trimezoil klorid.

• Poliamidne membrane dopirane-COF nanočesticama: Propusnost vode povećana je za 67% (na 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), sa stopama odbijanja Cu²⁺, Mn²⁺ i Pb²⁺ od 98,3%, 98,4%, odnosno 91,9%.
• Sudjelovanje BHDA komonomera u međufaznoj polimerizaciji: Protok vode povećan je 2,4 puta (na 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), sa stopama odbijanja Cu²⁺, Zn²⁺ i Pb²⁺ od 96,5%, 96,2%, odnosno 88,4%.
• Polimerizacija na niskoj-temperaturi (-15 stupnjeva): Debljina membrane se smanjila, a protok vode dosegnuo je 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, stope zadržavanja za Mn²⁺, Cd²⁺ i Cu²⁺ bile su 97,9%, 87,7%, odnosno 93,9%.

Metoda-premazivanja uranjanjem

Metoda-nanošenja premaza je jednostavna za rukovanje, ekonomična, učinkovita,-bez otpada i energetski-učinkovita. Supstrat se uroni u otopinu aktivnog materijala i pusti da stoji neko vrijeme, zatim se povuče prema gore konstantnom brzinom, dopuštajući otapalu da ispari i formira film.

• Pozitivno nabijena unakrsno -povezana PEI membrana (keramička podloga): Protok vode povećao se s 32 na 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, sa stopama odbijanja od 99,8% za Cu²⁺, 96,8% za As5⁺ i 97,2% za Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% za Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ pred{0}}kompleksirana membrana: Protok vode 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, stope zadržavanja za Zn²⁺, Ni²⁺ i Cd²⁺ bile su 91,8%, 83,2%, odnosno 75,6%.

Modifikacija/funkcionalizacija površine

Modifikacija površine može konstruirati ultratanke slojeve na površini nanofiltracijske membrane, istovremeno poboljšavajući selektivnost i propusnost.

• 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% za Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ i Cu²⁺ i stopa odbijanja od 92% za Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs modificirana PES membrana: Protok vode povećan je s 4,25 na 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% za Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.

Tehnologija nanofiltracijske membrane značajno je napredovala u području uklanjanja iona teških metala. Racionalnim odabirom membranskih materijala i procesa pripreme, može se kontrolirati mikrostruktura nanofiltracijskih membrana, značajno poboljšavajući protok vode i stope odbacivanja iona teških metala.

Budući pravci razvoja:

• Ionska selektivnost: u-zagađenoj vodi u stvarnom svijetu koegzistira više metalnih iona. Neophodno je razviti nanofiltracijske membrane sposobne selektivno zadržati specifične metalne ione kako bi se postigli dvostruki ciljevi pročišćavanja vode i povrata metala.
• Stabilnost membrane: Trenutna istraživanja imaju kratke cikluse testiranja, a performanse većine membrana s vremenom se pogoršavaju. Za poboljšanje stabilnosti membrane potrebno je daljnje-poprečno povezivanje ili uvođenje stabilnih anorganskih nanočestica.
• Učinkovitost protiv obraštanja: Zaprljanje membrane čest je izazov u membranskoj tehnologiji. Površinski inženjering (kao što je izgradnja pozitivno nabijenih površina za stvaranje vodenih slojeva) potreban je za ublažavanje ili sprječavanje adsorpcije zagađivača.
• Način rada: Većina studija koristi slijepu-filtraciju, zanemarujući problem adsorpcije metalnih iona unutar membrane. Industrijske primjene zahtijevaju načine rada križnog-protoka i više pozornosti treba posvetiti dugoročnim-izvedbama membrana u ovom načinu rada.