Hoe krachtig zijn nanofiltratiemembranen voor de verwijdering van zware metalen?

De behandeling van met zware metalen verontreinigd water is een actueel onderwerp op milieugebied. Een recent overzicht vat op systematische wijze de onderzoeksvoortgang van nanofiltratiemembranen bij de verwijdering van zware metaalionen samen, waaruit blijkt dat door materiaalinnovatie en procesoptimalisatie de waterstroom van nanofiltratiemembranen met meer dan drie keer kan worden verhoogd en dat de verwijderingssnelheid van verschillende zware metaalionen zoals Cu²⁺, Pb²⁺ en Cd²⁺ meer dan 99% kan bereiken, wat een efficiënte en duurzame oplossing voor waterbehandeling oplevert.

De mondiale zoetwatercrisis bedreigt de levens van meer dan 1,8 miljard mensen. Er zijn twee belangrijke redenen voor deze hachelijke situatie: ten eerste is zeewater verantwoordelijk voor het overgrote deel van de mondiale watervoorraden, terwijl de hoeveelheid bruikbaar zoetwater beperkt is; ten tweede leidt de lozing van afvalwater tot steeds ernstiger verontreiniging van het zoetwater. Hoewel de technologie voor de ontzilting van zeewater de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, kunnen overmatige zware metaalionen (zoals Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, enz.) in afvalwater het ontzilt water verontreinigen en zelfs de dood veroorzaken als gevolg van hun ophoping en toxiciteit in het menselijk lichaam.

Daarom is het ontwikkelen van technologieën voor het efficiënt verwijderen van sporen van giftige zware metalen uit vervuild water bijzonder belangrijk, omdat hiermee tegelijkertijd twee doelen kunnen worden bereikt: het verkrijgen van meer zoet water en het terugwinnen van waardevolle hulpbronnen.

Nanofiltratiemembranen hebben poriegroottes tussen 0,5-2 nm, variërend tussen ultrafiltratiemembranen (10-100 nm, hoge flux maar lage afstoting) en omgekeerde osmosemembranen (hoge afstoting maar lage flux, hoog energieverbruik). Nanofiltratiemembranen kunnen effectief zware metaalionen vasthouden en tegelijkertijd transportkanalen voor watermoleculen door nanoporiën bieden, waardoor ze een geavanceerde technologie zijn voor de behandeling van met zware metalen verontreinigd afvalwater.

Scheidingsmechanismen:

Groottescreening: Gebaseerd op het verschil in straal tussen de vastgehouden en doordrongen materialen. De poriegroottes van nanofiltratiemembraan zijn groter dan de diameter van watermoleculen (0,4 nm), maar vergelijkbaar met de diameter van gehydrateerde zware metaalionen, waardoor effectieve scheiding mogelijk is door de poriegrootte aan te passen.

Donnan Repulsion: Gebaseerd op de elektrostatische afstoting tussen ionen en het geladen membraanoppervlak. Zware metaalionen zijn doorgaans positief geladen, daarom is een positief geladen membraanoppervlak beter geschikt voor het vasthouden van verontreinigende ionen.

Bovendien heeft de pH van de voedingsoplossing een aanzienlijke invloed op de membraanprestaties: aan de ene kant verandert het de oppervlaktelading en de mate van verknoping van het polymeernetwerk, waardoor de afstotingssnelheid en de permeabiliteit worden beïnvloed; aan de andere kant beïnvloedt het de toestand van metaalionen.

Organische membranen

Organische membranen worden doorgaans vervaardigd met behulp van polymeermaterialen, zoals polysulfon, celluloseacetaat, polyvinylideenfluoride, polyethersulfon, polydimethylsiloxaan, polyethyleen, polycarbonaat en polyimide. Hiervan is polyamide het meest gebruikte materiaal bij de bereiding van nanofiltratiemembranen, en vertoont het uitstekende prestaties bij de ontzilting van zeewater.

Anorganische membranen

Anorganische membranen bezitten een uitstekende chemische en thermische stabiliteit en kunnen een uniforme poriënstructuur vormen. Keramische materialen, glas, metalen, zeolieten, silica, palladiumlegeringen en twee- materialen zijn gebruikt bij de vervaardiging van anorganische membranen. Keramische membranen worden gemaakt van metaaloxiden en hun derivaten, zoals TiO₂, SiO₂, ZrO₂ en Al₂O₃.

Hybride matrixmembranen
Hybride matrixmembranen combineren de oplossingsverwerkbaarheid van polymeren met de uitstekende permeabiliteit van nanovulleradditieven, met als doel tegelijkertijd de permeabiliteit en selectiviteit te verbeteren. Veelgebruikte additieven zijn onder meer:

• MOF's: Wanneer MOF NH₂-MIL-125(Ti) wordt opgenomen met een concentratie van 0,010 gew.%, bereikt de waterdoorlaatbaarheid 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ en bedraagt ​​het Ni²⁺-afstotingspercentage 90,9%.
• COF's: Na toevoeging van hydrofiele triazine-COF's bereikt de waterstroom 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ en bedragen de afstotingspercentages voor Zn²⁺ en Pb²⁺ respectievelijk 93,8% en 92,4%.
• GO (twee-dimensionaal materiaal): Na opname van chitosan in GO bereikt de waterstroom 55 L·m⁻²·h⁻¹ en is het Mn²⁺-afstotingspercentage 85%.
• ZnO-nanodeeltjes: verbeteren de hydrofiliteit van het membraan, verminderen de oppervlakteruwheid en verbeteren de aangroeiwerende eigenschappen.

Fase-inversiemethode

Deze methode, voor het eerst geïntroduceerd in de membraantechnologie door Loeb en Sourajan in 1960, maakt de fabricage in één- stap van de selectieve en ondersteunende lagen mogelijk. De membraanmicrostructuur kan worden gecontroleerd door de polymeerconcentratie, het oplosmiddel- en coagulatiebadtype, additieven en omgevingsomstandigheden aan te passen. Bijvoorbeeld:

• cGO-gedoteerd PPSU-membraan: de waterdoorlaatbaarheid is toegenomen van 2,1 naar 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, met afwijzingspercentages van 99%, 98%, 82%, 82% en 87% voor H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ en Zn²⁺, respectievelijk.
• CS-EDTA-mGO/PES-membraan (ondersteund door magnetisch veld): waterflux bereikte 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ afwijzingspercentage 98,2%, Cd²⁺ afwijzingspercentage 93,6%
• B-Cur-nanodeeltjes/PES-membraan: afwijzingspercentages van meer dan 99% voor Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ en Ni²⁺

Grensvlakpolymerisatiemethode

Grensvlakpolymerisatie is een van de meest gebruikte bereidingstechnieken voor nanofiltratiemembranen. Het omvat het onderdompelen van het substraatmembraan in een waterige oplossing die aminemonomeren bevat, gevolgd door het in contact brengen ervan met een organische oplossing die acylchloridemonomeren bevat, waardoor een ultradunne polyamidelaag op het grensvlak wordt gevormd. Veelgebruikte monomeren zijn piperazine en trimesoylchloride.

• COF nanodeeltjes-gedoteerde polyamidemembranen: de waterdoorlaatbaarheid is met 67% toegenomen (tot 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), met Cu²⁺-, Mn²⁺- en Pb²⁺-afstotingspercentages van respectievelijk 98,3%, 98,4% en 91,9%.
• Deelname van BHDA-comonomeer aan grensvlakpolymerisatie: de waterstroom nam 2,4 maal toe (tot 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), met Cu²⁺-, Zn²⁺- en Pb²⁺-afstotingspercentages van respectievelijk 96,5%, 96,2% en 88,4%.
• Grensvlakpolymerisatie bij lage-temperatuur (-15 graden): de membraandikte nam af en de waterflux bereikte 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ waren de retentiepercentages voor Mn²⁺, Cd²⁺ en Cu²⁺ respectievelijk 97,9%, 87,7% en 93,9%.

Dompelcoating-methode

De dompelcoatingmethode is eenvoudig te gebruiken, zuinig, efficiënt, afval-vrij en energie-efficiënt. Het substraat wordt ondergedompeld in de oplossing van actief materiaal, laat het een tijdje staan ​​en trekt het vervolgens met een constante snelheid omhoog, waardoor het oplosmiddel kan verdampen en een film kan vormen.

• Positief geladen kruis{0}}gekoppeld PEI-membraan (keramisch substraat): De waterstroom nam toe van 32 naar 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, met afstotingspercentages van 99,8% voor Cu²⁺, 96,8% voor As⁵⁺ en 97,2% voor Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% voor Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ en Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ pre-gecomplexeerd membraan: waterstroom 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, de retentiepercentages voor Zn²⁺, Ni²⁺ en Cd²⁺ waren respectievelijk 91,8%, 83,2% en 75,6%.

Oppervlaktemodificatie/functionalisatie

Oppervlaktemodificatie kan ultradunne lagen op het nanofiltratiemembraanoppervlak construeren, waardoor tegelijkertijd de selectiviteit en permeabiliteit worden verbeterd.

• 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% voor Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ en Cu²⁺, en een afwijzingspercentage van 92% voor Pb²⁺.
• CNF's-co-Cs-gemodificeerd PES-membraan: waterstroom verhoogd van 4,25 naar 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% voor Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ en Ni²⁺.

Nanofiltratiemembraantechnologie heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van de verwijdering van zware metaalionen. Door membraanmaterialen en bereidingsprocessen rationeel te selecteren, kan de microstructuur van nanofiltratiemembranen worden gecontroleerd, waardoor de waterstroom en de afstoting van zware metaalionen aanzienlijk worden verbeterd.

Toekomstige ontwikkelingsrichtingen:

• Ionenselectiviteit: in vervuild water in de echte-wereld bestaan ​​meerdere metaalionen naast elkaar. Het is noodzakelijk om nanofiltratiemembranen te ontwikkelen die in staat zijn om selectief specifieke metaalionen vast te houden om de dubbele doelstellingen van waterzuivering en metaalterugwinning te bereiken.
• Membraanstabiliteit: Huidig ​​onderzoek kent korte testcycli en de prestaties van de meeste membranen gaan na verloop van tijd achteruit. Verdere verknoping of de introductie van stabiele anorganische nanodeeltjes is nodig om de membraanstabiliteit te verbeteren.
• Antifoulingprestaties: Membraanvervuiling is een veel voorkomende uitdaging in de membraantechnologie. Oppervlaktetechniek (zoals het construeren van positief geladen oppervlakken om waterlagen te vormen) is nodig om de adsorptie van verontreinigende stoffen te verminderen of te voorkomen.
• Werkwijze: De meeste onderzoeken maken gebruik van doodlopende-filtratie, waarbij de kwestie van de adsorptie van metaalionen in het membraan wordt verwaarloosd. Industriële toepassingen vereisen cross{2}}flow-werkingsmodi, en er moet meer aandacht worden besteed aan de langetermijnprestaties van membranen in deze modus.