Kuinka tehokkaita nanosuodatuskalvot ovat raskasmetallien poistoon?

Raskasmetallien saastuttaman vedenkäsittely on kuuma aihe ympäristöalalla. Tuore katsaus tekee systemaattisesti yhteenvedon nanosuodatuskalvojen tutkimuksen edistymisestä raskasmetalli-ionien poistamisessa ja paljastaa, että materiaaliinnovaatioiden ja prosessien optimoinnin avulla nanosuodatuskalvon vesivirtausta voidaan lisätä yli 3 kertaa ja erilaisten raskasmetalli-ionien, kuten Cu²⁺, Pb²⁺ ja Cd²⁺, poistonopeus voi nousta yli 99 %:iin, mikä tarjoaa vedenkäsittelyn tehokkaan ja kestävän ratkaisun.

Maailmanlaajuinen makean veden pulakriisi uhkaa yli 1,8 miljardin ihmisen henkeä. Tähän ahdinkoon on kaksi pääasiallista syytä: ensinnäkin merivesi muodostaa suurimman osan maailman vesivaroista, kun taas käyttökelpoisen makean veden määrä on rajallinen; toiseksi jätevesipäästöt johtavat yhä vakavampaan makean veden saastumiseen. Vaikka meriveden suolanpoistotekniikka on edistynyt merkittävästi viime vuosina, jäteveden liialliset raskasmetalli-ionit (kuten Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ jne.) voivat saastuttaa suolattoman veden ja jopa aiheuttaa ihmiskehon myrkyllisyyskuoleman.

Siksi on erityisen tärkeää kehittää teknologioita, joilla poistetaan tehokkaasti pieniä määriä myrkyllisiä raskasmetalleja saastuneesta vedestä, sillä tällä voidaan saavuttaa samanaikaisesti kaksi tavoitetta: saada lisää makeaa vettä ja ottaa talteen arvokkaita luonnonvaroja.

Nanosuodatuskalvojen huokoskoot ovat välillä 0,5-2 nm, ja ne sijoittuvat ultrasuodatuskalvojen (10-100 nm, suuri virtaus mutta alhainen rejektio) ja käänteisosmoosikalvojen (suuri hylkäys, mutta pieni virtaus, korkea energiankulutus) väliin. Nanosuodatuskalvot voivat pidättää raskasmetalli-ioneja tehokkaasti samalla kun ne tarjoavat kuljetuskanavia vesimolekyyleille nanohuokosten läpi, mikä tekee niistä huippuluokan teknologiaa raskasmetallien saastuttaman jäteveden käsittelyssä.

Erotusmekanismit:

Kokoseulonta: Perustuu säilytettyjen ja läpäisevien materiaalien väliseen säteen eroon. Nanosuodatuskalvon huokoskoot ovat suurempia kuin vesimolekyylien halkaisija (0,4 nm), mutta verrattavissa hydratoituneiden raskasmetalli-ionien halkaisijaan, mikä mahdollistaa tehokkaan erottamisen säätämällä huokoskokoa.

Donnanin repulsio: Perustuu ionien ja varautuneen kalvopinnan väliseen sähköstaattiseen hylkimiseen. Raskasmetalli-ionit ovat tyypillisesti positiivisesti varautuneita, joten positiivisesti varautunut kalvopinta on suotuisampi pidättämään saaste-ioneja.

Lisäksi syöttöliuoksen pH vaikuttaa merkittävästi kalvon suorituskykyyn: toisaalta se muuttaa pintavarausta ja polymeeriverkoston silloitusastetta{0}}, mikä vaikuttaa hylkäysnopeuteen ja läpäisevyyteen; toisaalta se vaikuttaa metalli-ionien tilaan.

Orgaaniset kalvot

Orgaaniset kalvot valmistetaan tyypillisesti käyttämällä polymeerimateriaaleja, kuten polysulfonia, selluloosa-asetaattia, polyvinylideenifluoridia, polyeetterisulfonia, polydimetyylisiloksaania, polyeteeniä, polykarbonaattia ja polyimidia. Näistä polyamidi on laajimmin käytetty materiaali nanosuodatuskalvojen valmistuksessa, ja sillä on erinomainen suorituskyky meriveden suolanpoistossa.

Epäorgaaniset kalvot

Epäorgaanisilla kalvoilla on erinomainen kemiallinen ja lämpöstabiilisuus ja ne voivat muodostaa yhtenäisen huokosrakenteen. Epäorgaanisten kalvojen valmistuksessa on käytetty keraamisia materiaaleja, lasia, metalleja, zeoliitteja, piidioksidia, palladiumseoksia ja kaksiulotteisia materiaaleja. Keraamiset kalvot valmistetaan metallioksideista ja niiden johdannaisista, kuten TiO2, SiO2, ZrO2 ja Al2O3.

Hybridimatriisikalvot
Hybridimatriisikalvot yhdistävät polymeerien liuosprosessoitavuuden ja nanotäyteaineiden erinomaisen läpäisevyyden, tavoitteenaan samanaikaisesti parantaa läpäisevyyttä ja selektiivisyyttä. Yleisesti käytettyjä lisäaineita ovat mm.

• MOF:t: Kun MOF NH2-MIL-125(Ti):tä lisätään 0,010 painoprosenttia, vedenläpäisevyys saavuttaa 12,2 L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻¹ ja Ni2+-hylkäyssuhde on 90,9 %.
• COF:t: Hydrofiilisten triatsiini-COF:ien sisällyttämisen jälkeen vesivirta saavuttaa arvon 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, ja Zn2+- ja Pb2⁺-hylkäyssuhteet ovat vastaavasti 93,8 % ja 92,4 %.
• GO (kaksiulotteinen materiaali): Kun kitosaani on lisätty GO:hen, vesivirta saavuttaa arvon 55 L·m⁻²·h⁻¹ ja Mn²⁺-hylkäysaste on 85 %.
• ZnO-nanohiukkaset: Paranna kalvon hydrofiilisyyttä, vähentää pinnan karheutta ja parantaa likaantumisenesto-ominaisuuksia.

Vaiheen käännösmenetelmä

Tämä menetelmä, jonka Loeb ja Sourajan esittelivät kalvoteknologiaan ensimmäisen kerran vuonna 1960, mahdollistaa selektiivisten ja tukikerrosten yksivaiheisen valmistuksen. Kalvon mikrorakennetta voidaan ohjata säätämällä polymeerikonsentraatiota, liuotin- ja koagulaatiokylvyn tyyppiä, lisäaineita ja ympäristöolosuhteita. Esimerkiksi:

• cGO-seostettu PPSU-kalvo: Vedenläpäisevyys parani 2,1:stä 3,5 L·m⁻2·h⁻¹:iin, hylkäyssuhteet 99 %, 98 %, 82 %, 82 % ja 87 % H2AsO4:lle, HCrO₄⁺, P2+21+, C,221+, P vastaavasti.
• CS-EDTA-mGO/PES-kalvo (magneettikenttäavusteinen): Vesivirta saavutti 84,2. L·m⁻²·h⁻1, Pb2+-hylkäyssuhde 98,2 %, Cd2+-hylkäysprosentti 93,6 %
• B-Kovettunut nanopartikkeli/PES-kalvo: Yli 99 %:n hylkäyssuhteet Fe²⁺-, Cu²⁺-, Pb²⁺-, Mn²⁺-, Zn²⁺- ja Ni²⁺-aineille

Rajapintapolymerointimenetelmä

Rajapintapolymerointi on yksi laajimmin käytetyistä nanosuodatuskalvojen valmistustekniikoista. Siihen kuuluu substraattikalvon upottaminen vesiliuokseen, joka sisältää amiinimonomeerejä, minkä jälkeen se saatetaan kosketukseen asyylikloridimonomeerejä sisältävän orgaanisen liuoksen kanssa, jolloin muodostuu ultraohut polyamidikerros rajapinnalle. Yleisesti käytettyjä monomeereja ovat piperatsiini ja trimesoyylikloridi.

• COF-nanohiukkas-seostetut polyamidikalvot: Vedenläpäisevyys parani 67 % (10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹) Cu²⁺-, Mn2⁺- ja Pb²⁺-hylkäyssuhteiden ollessa 98,3 % ja vastaavasti 98,4 %.
• BHDA-komonomeerin osallistuminen rajapintapolymerointiin: Vesivirta kasvoi 2,4-kertaiseksi (12,9 L·m-2·h-1) Cu2+-, Zn2+- ja Pb2+-hylkäyssuhteiden ollessa 96,5 %, 96,2 % ja 88,4 %.
• Matalan -lämpötilan rajapintapolymerointi (-15 astetta): Kalvon paksuus pieneni ja vesivirta saavutti 19,2. L·m⁻2·h⁻1·bar⁻1, Mn2+:n, Cd2+:n ja Cu2+:n retentioasteet olivat 97,9 %, 87,7 % ja 93,9 %.

Kasto{0}}pinnoitusmenetelmä

Kasto{0}}pinnoitusmenetelmä on helppokäyttöinen, taloudellinen, tehokas, hukkaa-vapaa ja energia-tehokas. Substraatti upotetaan aktiivisen materiaalin liuokseen ja sen annetaan seistä jonkin aikaa, sitten vedetään ylös vakionopeudella, jolloin liuottimen annetaan haihtua ja muodostaa kalvo.

• Positiivisesti varautunut -silloitettu PEI-kalvo (keraaminen substraatti): Vesivirta kasvoi 32:sta 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹:iin, hylkäyssuhteet 99,8 % Cu²⁺:lle, 96,8 % As⁵⁺⁺2:lle ja Cr.97⁺⁺:lle.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % Cd²⁺:lle, Pb²⁺:lle, Zn²⁺:lle ja Ni²⁺:lle.
• PEI/Cu²⁺ esi-kompleksoitu kalvo: Vesivirtaus 8,1 L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻¹, retentioasteet Zn2+:lle, Ni2+:lle ja Cd2+:lle olivat 91,8 %, 83,2 % ja 75,6 %.

Pinnan modifiointi/funktionalisointi

Pintamodifikaatiolla voidaan rakentaa ultraohuita kerroksia nanosuodatuskalvon pinnalle, mikä parantaa samalla selektiivisyyttä ja läpäisevyyttä.

• 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 % Zn²⁺:lle, Cd²⁺:lle, Ni²⁺:lle ja Cu²+:lle ja hylkäysaste 92 % Pb2⁺:lle.
• CNFs-co-Cs-muokattu PES-kalvo: Vesivirta kasvoi 4,25:stä 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95 % Cd²⁺:lle, Pb²⁺:lle, Cu²⁺:lle, Zn²⁺:lle ja Ni²⁺:lle.

Nanosuodatuskalvoteknologia on edistynyt merkittävästi raskasmetalli-ionien poiston alalla. Kalvomateriaalien ja valmistusprosessien rationaalisella valinnalla nanosuodatuskalvojen mikrorakennetta voidaan hallita, mikä parantaa merkittävästi vesivirtausta ja raskasmetalli-ionien hylkäysnopeuksia.

Tulevaisuuden kehityssuunnat:

• Ioniselektiivisyys: Todellisen-maailman saastuneessa vedessä esiintyy samanaikaisesti useita metalli-ioneja. On tarpeen kehittää nanosuodatuskalvoja, jotka pystyvät pidättämään selektiivisesti tiettyjä metalli-ioneja, jotta saavutetaan kaksi tavoitetta eli veden puhdistus ja metallien talteenotto.
• Kalvon stabiilisuus: Nykyisellä tutkimuksella on lyhyet testaussyklit, ja useimpien kalvojen suorituskyky heikkenee ajan myötä. Lisäsilloitusta tai stabiilien epäorgaanisten nanohiukkasten lisäämistä tarvitaan kalvon stabiilisuuden parantamiseksi.
• Antifouling-suorituskyky: Kalvon likaantuminen on yleinen haaste kalvotekniikassa. Pintasuunnittelua (kuten positiivisesti varautuneiden pintojen rakentamista vesikerrosten muodostamiseksi) tarvitaan saasteiden adsorption vähentämiseksi tai estämiseksi.
• Toimintatila: Useimmissa tutkimuksissa käytetään umpikujasuodatusta{0}}, jossa jätetään huomiotta metalli-ionien adsorptio kalvon sisällä. Teolliset sovellukset vaativat risti-virtaustoimintatiloja, ja enemmän huomiota tulisi kiinnittää-kalvojen pitkän aikavälin suorituskykyyn tässä tilassa.