Seberapa Kuasa Membran Penapisan Nano Untuk Penyingkiran Logam Berat?

Rawatan air tercemar logam berat adalah topik hangat dalam bidang alam sekitar. Kajian terbaru secara sistematik merumuskan secara sistematik kemajuan penyelidikan membran penapisan nano dalam penyingkiran ion logam berat, mendedahkan bahawa melalui inovasi bahan dan pengoptimuman proses, fluks air membran penapisan nano boleh ditingkatkan lebih daripada 3 kali ganda, dan kadar penyingkiran pelbagai ion logam berat seperti Cu²⁺, Pb²⁺, dan Cd²⁺% penyelesaian boleh tahan air yang cekap.

Krisis kekurangan air tawar global mengancam nyawa lebih 1.8 bilion orang. Terdapat dua sebab utama untuk kesulitan ini: pertama, air laut menyumbang sebahagian besar sumber air global, manakala jumlah air tawar yang boleh digunakan adalah terhad; kedua, pembuangan air sisa membawa kepada pencemaran air tawar yang semakin serius. Walaupun teknologi penyahgaraman air laut telah mencapai kemajuan yang ketara dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ion logam berat yang berlebihan (seperti Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, dsb.) dalam air sisa boleh mencemari air penyahgaraman, dan juga menyebabkan kematian dan toksin yang terkumpul di dalam badan manusia.

Oleh itu, membangunkan teknologi untuk menyingkirkan sejumlah kecil logam berat toksik dengan cekap daripada air tercemar adalah amat penting, kerana ini boleh mencapai dua matlamat serentak: mendapatkan lebih banyak air tawar dan memulihkan sumber yang berharga.

Membran penapisan nano mempunyai saiz liang antara 0.5-2 nm, terletak di antara membran ultraturasan (10-100 nm, fluks tinggi tetapi penolakan rendah) dan membran osmosis songsang (penolakan tinggi tetapi fluks rendah, penggunaan tenaga tinggi). Membran penapisan nano boleh mengekalkan ion logam berat dengan berkesan sambil menyediakan saluran pengangkutan untuk molekul air melalui nanopori, menjadikannya teknologi canggih untuk merawat air sisa tercemar logam berat.

Mekanisme Pemisahan:

Saringan Saiz: Berdasarkan perbezaan jejari antara bahan tertahan dan meresap. Saiz liang membran penapisan nano lebih besar daripada diameter molekul air (0.4 nm), tetapi setanding dengan diameter ion logam berat terhidrat, membolehkan pemisahan berkesan dengan melaraskan saiz liang.

Tolakan Donnan: Berdasarkan tolakan elektrostatik antara ion dan permukaan membran bercas. Ion logam berat biasanya bercas positif, oleh itu permukaan membran bercas positif lebih kondusif untuk mengekalkan ion pencemar.

Tambahan pula, pH larutan suapan memberi kesan ketara kepada prestasi membran: dalam satu pihak, ia mengubah cas permukaan dan tahap-pautan silang rangkaian polimer, sekali gus menjejaskan kadar penolakan dan kebolehtelapan; sebaliknya, ia menjejaskan keadaan ion logam.

Membran Organik

Membran organik biasanya disediakan menggunakan bahan polimer, seperti polisulfon, selulosa asetat, polivinilidena fluorida, polietersulfon, polidimetilsiloksana, polietilena, polikarbonat dan polimida. Antaranya, poliamida ialah bahan yang paling banyak digunakan dalam penyediaan membran penapisan nano, mempamerkan prestasi cemerlang dalam penyahgaraman air laut.

Membran Bukan Organik

Membran bukan organik mempunyai kestabilan kimia dan haba yang sangat baik dan boleh membentuk struktur liang yang seragam. Bahan seramik, kaca, logam, zeolit, silika, aloi paladium dan bahan dua-dimensi telah digunakan dalam penyediaan membran bukan organik. Membran seramik diperbuat daripada oksida logam dan derivatifnya, seperti TiO₂, SiO₂, ZrO₂, dan Al₂O₃.

Membran Matriks Hibrid
Membran matriks hibrid menggabungkan kebolehprosesan penyelesaian polimer dengan kebolehtelapan bahan tambahan nanofiller yang sangat baik, bertujuan untuk meningkatkan kebolehtelapan dan selektiviti secara serentak. Bahan tambahan yang biasa digunakan termasuk:

• MOF: Apabila MOF NH₂-MIL-125(Ti) digabungkan pada 0.010 wt%, kebolehtelapan air mencapai 12.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, dan kadar penolakan Ni²⁺ ialah 90.9%.
• COF: Selepas penggabungan triazine hidrofilik-COFs, fluks air mencapai 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, dan kadar penolakan Zn²⁺ dan Pb²⁺ masing-masing ialah 93.8% dan 92.4%.
• GO (bahan dua-dimensi): Selepas memasukkan kitosan ke dalam GO, fluks air mencapai 55 L·m⁻²·h⁻¹, dan kadar penolakan Mn²⁺ ialah 85%.
• ZnO nanopartikel: Meningkatkan hidrofilik membran, mengurangkan kekasaran permukaan, dan meningkatkan sifat antikotoran.

Kaedah Penyongsangan Fasa

Kaedah ini, yang pertama kali diperkenalkan kepada teknologi membran oleh Loeb dan Sourajan pada tahun 1960, membolehkan-pembikinan satu langkah bagi lapisan terpilih dan sokongan. Struktur mikro membran boleh dikawal dengan melaraskan kepekatan polimer, jenis mandi pelarut dan pembekuan, bahan tambahan, dan keadaan persekitaran. Contohnya:

• cGO-membran PPSU berdop: Kebolehtelapan air meningkat daripada 2.1 kepada 3.5 L·m⁻²·h⁻¹, dengan kadar penolakan 99%, 98%, 82%, 82% dan 87% untuk H₂AsO₄, HCrO₄⁻⁻, P₄⁻², HCrO₄⁻² Zn²⁺, masing-masing.
• Membran CS-EDTA-mGO/PES (medan magnet dibantu): Fluks air mencapai 84.2. L·m⁻²·h⁻¹, kadar penolakan Pb²⁺ 98.2%, kadar penolakan Cd²⁺ 93.6%
• B-Membran nano zarah/PES: Kadar penolakan melebihi 99% untuk Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ dan Ni²⁺

Kaedah pempolimeran antara muka

Pempolimeran antara muka adalah salah satu teknik penyediaan membran penapisan nano yang paling banyak digunakan. Ia melibatkan merendam membran substrat dalam larutan akueus yang mengandungi monomer amina, diikuti dengan menghubunginya dengan larutan organik yang mengandungi monomer asil klorida, membentuk lapisan poliamida ultrathin pada antara muka. Monomer yang biasa digunakan ialah piperazine dan trimesoyl chloride.

• Nanopartikel COF-membran poliamida terdop: Kebolehtelapan air meningkat sebanyak 67% (kepada 10.8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), dengan kadar penolakan Cu²⁺, Mn²⁺ dan Pb²⁺ masing-masing sebanyak 98.3%, 98.4%, dan 99.4%,
• Penyertaan komonomer BHDA dalam pempolimeran antara muka: Fluks air meningkat sebanyak 2.4 kali ganda (kepada 12.9 L·m⁻²·h⁻¹), dengan kadar penolakan Cu²⁺, Zn²⁺ dan Pb²⁺ masing-masing sebanyak 96.5%, 96.2% dan 88.4%
• Pempolimeran antara muka-suhu rendah (-15 darjah ): Ketebalan membran berkurangan dan fluks air mencapai 19.2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, kadar pengekalan untuk Mn²⁺, Cd²⁺ dan Cu²⁺ masing-masing ialah 97.9%, 87.7% dan 93.9%.

Dip-kaedah salutan

Kaedah salutan-dip adalah mudah untuk dikendalikan, menjimatkan, cekap,-bebas dan cekap tenaga-. Substrat direndam dalam larutan bahan aktif dan dibiarkan berdiri untuk satu tempoh masa, kemudian ditarik ke atas pada kelajuan tetap, membolehkan pelarut menguap dan membentuk filem.

• Membran PEI terpaut-bercas positif (substrat seramik): Fluks air meningkat daripada 32 kepada 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, dengan kadar penolakan 99.8% untuk Cu²⁺, 96.8% untuk As⁵⁺% dan 97.2%
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% untuk Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ dan Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ pra-membran kompleks: Fluks air 8.1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, kadar pengekalan untuk Zn²⁺, Ni²⁺ dan Cd²⁺ masing-masing ialah 91.8%, 83.2% dan 75.6%

Pengubahsuaian/Kefungsian Permukaan

Pengubahsuaian permukaan boleh membina lapisan ultranipis pada permukaan membran penapisan nano, pada masa yang sama meningkatkan selektiviti dan kebolehtelapan.

• 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% untuk Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ dan Cu²⁺, dan kadar penolakan sebanyak 92% untuk Pb²⁺.
• CNF-co-Cs diubah suai membran PES: Fluks air meningkat daripada 4.25 kepada 13.58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% untuk Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ dan Ni²⁺.

Teknologi membran penapisan nano telah mencapai kemajuan yang ketara dalam bidang penyingkiran ion logam berat. Dengan memilih bahan membran dan proses penyediaan secara rasional, struktur mikro membran penapisan nano boleh dikawal, meningkatkan kadar fluks air dan ion logam berat dengan ketara.

Arah Pembangunan Masa Depan:

• Pemilihan Ion: Dalam-air tercemar dunia sebenar, berbilang ion logam wujud bersama. Ia adalah perlu untuk membangunkan membran penapisan nano yang mampu secara selektif mengekalkan ion logam tertentu untuk mencapai matlamat dwi penulenan air dan pemulihan logam.
• Kestabilan Membran: Penyelidikan semasa mempunyai kitaran ujian yang singkat, dan prestasi kebanyakan membran merosot dari semasa ke semasa. Pautan silang-selanjutnya atau pengenalan zarah nano bukan organik yang stabil diperlukan untuk meningkatkan kestabilan membran.
• Prestasi Antifouling: Fouling membran adalah cabaran biasa dalam teknologi membran. Kejuruteraan permukaan (seperti membina permukaan bercas positif untuk membentuk lapisan air) diperlukan untuk mengurangkan atau mencegah penjerapan bahan pencemar.
• Mod Pengendalian: Kebanyakan kajian menggunakan penapisan-mati, mengabaikan isu penjerapan ion logam dalam membran. Aplikasi industri memerlukan-mod operasi aliran silang dan lebih banyak perhatian harus diberikan kepada-prestasi jangka panjang membran di bawah mod ini.