Hur kraftfulla är nanofiltreringsmembran för borttagning av tungmetaller?

Tungmetallförorenat vattenrening är ett hett ämne inom miljöområdet. En nyligen genomförd granskning sammanfattar systematiskt forskningsframstegen för nanofiltreringsmembran i avlägsnandet av tungmetalljoner, och avslöjar att genom materialinnovation och processoptimering kan nanofiltreringsmembranets vattenflöde ökas med mer än 3 gånger, och borttagningshastigheten för olika tungmetalljoner som Cu²⁺, Pb²⁺ och Cd²⁺ och kan ge en hållbar lösning på över 9 och Cd²⁺. behandling.

Den globala sötvattenbristkrisen hotar livet för mer än 1,8 miljarder människor. Det finns två huvudorsaker till detta problem: för det första står havsvatten för den stora majoriteten av de globala vattenresurserna, medan mängden användbart sötvatten är begränsad; för det andra leder utsläpp av avloppsvatten till allt allvarligare sötvattenföroreningar. Även om tekniken för avsaltning av havsvatten har gjort betydande framsteg under de senaste åren, kan överskott av tungmetalljoner (såsom Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, etc.) i avloppsvattnet förorena det avsaltade vattnet och till och med orsaka giftighet i människans kropp.

Därför är det särskilt viktigt att utveckla tekniker för att effektivt ta bort spårmängder av giftiga tungmetaller från förorenat vatten, eftersom detta samtidigt kan uppnå två mål: att få mer färskvatten och att återvinna värdefulla resurser.

Nanofiltreringsmembran har porstorlekar mellan 0,5-2 nm och faller mellan ultrafiltreringsmembran (10-100 nm, högt flöde men låg avstötning) och omvänd osmosmembran (hög avstötning men lågt flöde, hög energiförbrukning). Nanofiltreringsmembran kan effektivt hålla kvar tungmetalljoner samtidigt som de tillhandahåller transportkanaler för vattenmolekyler genom nanoporer, vilket gör dem till en spjutspetsteknologi för behandling av tungmetallförorenat avloppsvatten.

Separationsmekanismer:

Storlek Avskärmning: Baseras på skillnaden i radie mellan det kvarhållna och genomträngda materialet. Nanofiltreringsmembranets porstorlekar är större än diametern på vattenmolekyler (0,4 nm), men jämförbara med diametern på hydratiserade tungmetalljoner, vilket möjliggör effektiv separation genom att justera porstorleken.

Donnan Repulsion: Baserat på den elektrostatiska repulsionen mellan joner och den laddade membranytan. Tungmetalljoner är vanligtvis positivt laddade, därför är en positivt laddad membranyta mer gynnsam för att hålla kvar förorenande joner.

Dessutom påverkar pH-värdet i matarlösningen membranets prestanda avsevärt: å ena sidan ändrar det ytladdningen och graden av tvärbindning av polymernätverket, vilket påverkar avstötningshastigheten och permeabiliteten; å andra sidan påverkar det metalljonernas tillstånd.

Organiska membran

Organiska membran framställs typiskt med användning av polymermaterial, såsom polysulfon, cellulosaacetat, polyvinylidenfluorid, polyetersulfon, polydimetylsiloxan, polyeten, polykarbonat och polyimid. Bland dessa är polyamid det mest använda materialet vid framställning av nanofiltreringsmembran, som uppvisar utmärkta prestanda vid avsaltning av havsvatten.

Oorganiska membran

Oorganiska membran har utmärkt kemisk och termisk stabilitet och kan bilda en enhetlig porstruktur. Keramiska material, glas, metaller, zeoliter, kiseldioxid, palladiumlegeringar och två{1}}dimensionella material har använts vid framställningen av oorganiska membran. Keramiska membran är gjorda av metalloxider och deras derivat, såsom TiO2, SiO2, ZrO2 och Al2O3.

Hybridmatrismembran
Hybridmatrismembran kombinerar lösningens bearbetbarhet av polymerer med den utmärkta permeabiliteten hos nanofyllnadstillsatser, som syftar till att samtidigt förbättra permeabiliteten och selektiviteten. Vanligt använda tillsatser inkluderar:

• MOF: När MOF NH₂-MIL-125(Ti) införlivas vid 0,010 viktprocent, når vattenpermeabiliteten 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻1, och Ni²⁺-avstötningsgraden är 90,9%.
• COFs: Efter inkorporering av hydrofila triazin-COFs når vattenflödet 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, och Zn²⁺ och Pb²⁺ avstötningshastigheterna är 93,8 % respektive 92,4 %.
• GO (två-dimensionellt material): Efter inkorporering av kitosan i GO når vattenflödet 55 L·m⁻²·h⁻¹, och Mn²⁺-avstötningsgraden är 85 %.
• ZnO nanopartiklar: Förbättra membranets hydrofilicitet, minska ytjämnheten och förbättra antifouling-egenskaperna.

Fasinversionsmetod

Den här metoden, som först introducerades till membranteknologi av Loeb och Sourajan 1960, möjliggör en-tillverkning av de selektiva skikten och stödskikten. Membranets mikrostruktur kan kontrolleras genom att justera polymerkoncentration, lösningsmedels- och koaguleringsbadtyp, tillsatser och miljöförhållanden. Till exempel:

• cGO-dopat PPSU-membran: Vattenpermeabiliteten ökade från 2,1 till 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, med avstötningsgrader på 99 %, 98 %, 82 %, 82 % och 87 % för H₂AsO₄, HCrO₄, P2₄, P²+ Zn²⁺, respektive.
• CS-EDTA-mGO/PES-membran (magnetfältassisterat): Vattenflödet nådde 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ avvisningsgrad 98,2 %, Cd²⁺ avvisningsfrekvens 93,6 %
• B-Cur nanopartikel/PES-membran: Avstötningshastigheter som överstiger 99 % för Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ och Ni²⁺

Gränsytans polymerisationsmetod

Gränssnittspolymerisation är en av de mest använda teknikerna för beredning av nanofiltreringsmembran. Det involverar nedsänkning av substratmembranet i en vattenlösning innehållande aminmonomerer, följt av att bringa det i kontakt med en organisk lösning innehållande acylkloridmonomerer, vilket bildar ett ultratunt polyamidskikt vid gränsytan. Vanligt använda monomerer är piperazin och trimesoylklorid.

• COF nanopartikel-dopade polyamidmembran: Vattenpermeabiliteten ökade med 67 % (till 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), med Cu²⁺, Mn²⁺ och Pb²⁺ avstötningsgrader på 98,3 %, 98,3 % respektive 98,4 % respektive 98,4 %.
• BHDA-sammonomerdeltagande i gränsytpolymerisation: Vattenflödet ökade med 2,4 gånger (till 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), med Cu²⁺, Zn²⁺ och Pb²⁺ avstötningsgrader på 96,5 %, 96,2 % respektive 88,4 %.
• Låg-temperaturgränssnittspolymerisation (-15 grader): Membrantjockleken minskade och vattenflödet nådde 19,2. L·m⁻²·h⁻1·bar⁻1 var retentionshastigheterna för Mn²+, Cd2+ och Cu2+ 97,9 %, 87,7 % respektive 93,9 %.

Dopp-beläggningsmetod

Dopp-beläggningsmetoden är enkel att använda, ekonomisk, effektiv, avfallsfri-och energi-effektiv. Substratet nedsänks i lösningen av det aktiva materialet och får stå under en viss tid, dras sedan upp med konstant hastighet, vilket låter lösningsmedlet avdunsta och bilda en film.

• Positivt laddat tvär-kopplat PEI-membran (keramiskt substrat): Vattenflödet ökade från 32 till 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, med avvisningsgrader på 99,8 % för Cu²⁺, 96,8 % för As⁵⁶⁺ och 96,8 % för Cr.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % för Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ och Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ pre-komplext membran: Vattenflöde 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, retentionshastigheterna för Zn²⁺, Ni²⁺ och Cd²⁺ var 91,8 %, 83,2 % respektive 75,6,6 %

Ytmodifiering/funktionalisering

Ytmodifiering kan konstruera ultratunna lager på nanofiltreringsmembranets yta, vilket samtidigt förbättrar selektivitet och 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 % för Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ och Cu²⁺ och en avvisningsgrad på 92 % för Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs modifierat PES-membran: Vattenflödet ökade från 4,25 till 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95 % för Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ och Ni²⁺.

Nanofiltreringsmembranteknologi har gjort betydande framsteg inom området för borttagning av tungmetalljoner. Genom att rationellt välja membranmaterial och beredningsprocesser kan mikrostrukturen hos nanofiltreringsmembran kontrolleras, vilket avsevärt förbättrar vattenflödet och avstötningshastigheterna för tungmetalljoner.

Riktningar för framtida utveckling:

• Jonselektivitet: I verkliga-världen förorenat vatten finns flera metalljoner samexisterande. Det är nödvändigt att utveckla nanofiltreringsmembran som kan selektivt behålla specifika metalljoner för att uppnå de dubbla målen vattenrening och metallåtervinning.
• Membranstabilitet: Aktuell forskning har korta testcykler och prestandan för de flesta membran försämras med tiden. Ytterligare tvärbindning eller införande av stabila oorganiska nanopartiklar behövs för att förbättra membranstabiliteten.
• Antifouling Performance: Membranfouling är en vanlig utmaning inom membranteknologi. Ytteknik (som att konstruera positivt laddade ytor för att bilda vattenlager) behövs för att mildra eller förhindra adsorption av föroreningar.
• Driftsläge: De flesta studier använder död-filtrering, vilket försummar problemet med metalljonadsorption i membranet. Industriella applikationer kräver tvärflödesdriftlägen, och mer uppmärksamhet bör ägnas åt membranens långsiktiga-prestanda under detta läge.