עד כמה ממברנות ננופילטרציה חזקות להסרת מתכות כבדות?

טיפול במים מזוהמים במתכות כבדות הוא נושא חם בתחום הסביבתי. סקירה עדכנית מסכמת באופן שיטתי את ההתקדמות המחקרית של ממברנות ננו-סינון בהסרת יוני מתכות כבדות, וחושפת שבאמצעות חדשנות חומרית ואופטימיזציית תהליכים, ניתן להגדיל את שטף המים של ממברנות ננו-פילטרציה ביותר מפי 3, ואת קצב ההסרה של יוני מתכות כבדות שונות כגון Cu²⁺, Pb²⁺ ו-Cd²⁺ ו-Cd²9 ו-% פתרון יעיל למים טיפול.

משבר המחסור העולמי במים מתוקים מאיים על חייהם של יותר מ-1.8 מיליארד בני אדם. ישנן שתי סיבות עיקריות למצוקה זו: ראשית, מי הים מהווים את הרוב המכריע של משאבי המים העולמיים, בעוד שכמות המים המתוקים הניתנים לשימוש מוגבלת; שנית, הזרמת שפכים מובילה לזיהום מים מתוקים יותר ויותר חמור. למרות שטכנולוגיית ההתפלה של מי ים התקדמה משמעותית בשנים האחרונות, יותר מדי יוני מתכות כבדים (כגון Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ וכו') בשפכים עלולים לזהם את מי השפכים המותפלים ולגרום לרעילותם בגוף האדם המותפלים, ואף לגרום לרעילותם בגוף.

לכן, פיתוח טכנולוגיות להסרה יעילה של כמויות עקבות של מתכות כבדות רעילות ממים מזוהמים הוא חשוב במיוחד, שכן זה יכול להשיג שתי מטרות בו-זמנית: השגת מים מתוקים יותר והשבת משאבים יקרי ערך.

לממברנות ננופילטרציה יש גדלים של נקבוביות בין 0.5-2 ננומטר, הנופלות בין ממברנות אולטרה-פילטרציה (10-100 ננומטר, שטף גבוה אך דחייה נמוכה) לבין ממברנות אוסמוזה הפוכה (דחייה גבוהה אך שטף נמוך, צריכת אנרגיה גבוהה). ממברנות ננופילטרציה יכולות לשמר ביעילות יוני מתכות כבדות תוך מתן ערוצי הובלה למולקולות מים דרך ננו-נקבוביות, מה שהופך אותן לטכנולוגיה חדשנית לטיפול בשפכים מזוהמים במתכות כבדות.

מנגנוני הפרדה:

הקרנת גודל: מבוססת על ההבדל ברדיוס בין החומרים המוחזקים והחדורים. גדלים של נקבוביות קרום ננו-פילטרציה גדולים יותר מקוטר מולקולות מים (0.4 ננומטר), אך ניתן להשוות לקוטר של יוני מתכת כבדה hydrated, מה שמאפשר הפרדה יעילה על ידי התאמת גודל הנקבוביות.

דונאן דחייה: מבוסס על הדחייה האלקטרוסטטית בין יונים למשטח הממברנה הטעון. יוני מתכת כבדים בדרך כלל טעונים חיובית, ולכן משטח ממברנה טעון חיובי תורם יותר לשמירת יונים מזהמים.

יתר על כן, ה-pH של תמיסת ההזנה משפיע באופן משמעותי על ביצועי הממברנה: מצד אחד, הוא משנה את מטען פני השטח ואת מידת הקישור הצול- של רשת הפולימר, ובכך משפיע על קצב הדחייה והחדירות; מצד שני, זה משפיע על מצב יוני המתכת.

ממברנות אורגניות

ממברנות אורגניות מוכנות בדרך כלל באמצעות חומרים פולימריים, כגון פוליסולפון, אצטט תאית, פוליווינילידן פלואוריד, פוליאתרסולפון, פולידימתילסילוקסן, פוליאתילן, פוליקרבונט ופולימיד. בין אלה, פוליאמיד הוא החומר הנפוץ ביותר בהכנת ממברנות ננופילטרציה, המציג ביצועים מצוינים בהתפלת מי ים.

ממברנות אנאורגניות

לממברנות אנאורגניות יש יציבות כימית ותרמית מעולה ויכולות ליצור מבנה נקבוביות אחיד. חומרים קרמיים, זכוכית, מתכות, זאוליטים, סיליקה, סגסוגות פלדיום וחומרים דו-מימדיים- שימשו בהכנת ממברנות אנאורגניות. ממברנות קרמיות עשויות מתחמוצות מתכת ונגזרותיהן, כגון TiO₂, SiO₂, ZrO₂ ו- Al₂O₃.

ממברנות מטריקס היברידיות
ממברנות מטריצה ​​היברידיות משלבות את יכולת העיבוד של התמיסה של פולימרים עם החדירות המצוינת של תוספי ננו-מייל, במטרה לשפר בו זמנית את החדירות והסלקטיביות. התוספים הנפוצים כוללים:

• MOFs: כאשר MOF NH₂-MIL-125(Ti) משולב ב-0.010% wt, חדירות המים מגיעה ל-12.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, ושיעור הדחייה של Ni²⁺ הוא 90.9%.
• COFs: לאחר שילוב של טריאזין-COFs הידרופילי, שטף המים מגיע ל-15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, ושיעורי הדחייה של Zn²⁺ ו-Pb²⁺ הם 93.8% ו-92.4%, בהתאמה.
• GO (חומר דו-מימדי): לאחר שילוב של כיטוזן ב-GO, שטף המים מגיע ל-55 L·m⁻²·h⁻¹, ושיעור הדחייה של Mn²⁺ הוא 85%.
• ננו-חלקיקי ZnO: שפר את ההידרופיליות של הממברנה, הפחתת חספוס פני השטח והגברת תכונות נוגדות זיהום.

שיטת היפוך שלב

שיטה זו, שהוצגה לראשונה לטכנולוגיית הממברנות על ידי Loeb ו-Sorajan בשנת 1960, מאפשרת ייצור-בשלב אחד של השכבות הסלקטיביות והתמיכה. ניתן לשלוט במיקרו-מבנה הממברנה על ידי התאמת ריכוז הפולימר, סוג אמבטיית הממס והקרישה, התוספים ותנאי הסביבה. לְדוּגמָה:

• קרום PPSU מסומם ב-cGO-: חדירות המים עלתה מ-2.1 ל-3.5 L·m⁻²·h⁻¹, עם שיעורי דחייה של 99%, 98%, 82%, 82% ו-87% עבור H₂₂AsO₄, HCrO₄, C²d, P²d, C²d, Zn²⁺, בהתאמה.
• ממברנת CS-EDTA-mGO/PES (בסיוע שדה מגנטי): שטף המים הגיע ל-84.2. L·m⁻²·h⁻¹, שיעור דחייה של Pb²⁺ 98.2%, שיעור דחייה של Cd²⁺ 93.6%
• B-קרום ננו-חלקיק/PES: שיעורי דחייה העולה על 99% עבור Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ ו-Ni²⁺

שיטת פילמור פנים פנים

פילמור פנים פנים היא אחת מטכניקות ההכנה הנפוצות ביותר של ממברנות ננופילטרציה. זה כרוך בטבילה של קרום המצע בתמיסה מימית המכילה מונומרים אמין, ולאחר מכן מגע עם תמיסה אורגנית המכילה מונומרים של אציל כלוריד, ויוצרים שכבת פוליאמיד דקה במיוחד בממשק. המונומרים הנפוצים הם פיפרזין וטרימזויל כלוריד.

• ממברנות פוליאמיד מסוימות ננו-חלקיקי COF-: חדירות המים עלתה ב-67% (ל-10.8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), עם שיעורי דחייה של Cu²⁺, Mn²⁺ ו-Pb²⁺ של 98.3%, 98.4%, 98.4% בהתאמה.
• השתתפות BHDA comonomer בפילמור אינטר-face: שטף המים עלה פי 2.4 (ל-12.9 L·m⁻²·h⁻¹), עם שיעורי דחייה של Cu²⁺, Zn²⁺ ו-Pb²⁺ של 96.5%, 96.2%, ו-88.4% בהתאמה.
• פילמור ממשק בטמפרטורה-נמוכה (-15 מעלות): עובי הממברנה ירד, ושטף המים הגיע ל-19.2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, שיעורי ההחזקה של Mn²⁺, Cd²⁺ ו- Cu²⁺ היו 97.9%, 87.7% ו-93.9%, בהתאמה.

שיטת ציפוי-לטבול

שיטת הציפוי-פשוטה לתפעול, חסכונית, יעילה, נטולת פסולת- וחסכונית- באנרגיה. המצע טובל בתמיסת החומר הפעיל ונותן לו לעמוד למשך פרק זמן, ואז מושך כלפי מעלה במהירות קבועה, מה שמאפשר לממס להתאדות וליצור סרט.

• ממברנת PEI צולבת-בטעינה חיובית (מצע קרמי): שטף המים עלה מ-32 ל-82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, עם שיעורי דחייה של 99.8% עבור Cu²⁺, 96.8% עבור As⁵⁶.2 ו-Cr.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% עבור Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ ו-Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ קרום קדם-מורכב: שטף מים 8.1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, שיעורי השמירה של Zn²⁺, Ni²⁺ ו-Cd²⁺ היו 91.8%, 83.2%, ו-75.6 בהתאמה.

שינוי פני השטח / פונקציונליזציה

שינוי פני השטח יכול לבנות שכבות דקות במיוחד על משטח קרום הננופילטרציה, ובו זמנית לשפר את הסלקטיביות והחדירות.

• 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% עבור Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ ו- Cu²⁺, ושיעור דחייה של 92% עבור Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs ממברנת PES שונה: שטף המים עלה מ-4.25 ל-13.58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% עבור Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ ו-Ni²⁺.

טכנולוגיית ממברנות ננופילטרציה התקדמה משמעותית בתחום הרחקת יוני מתכת כבדה. על ידי בחירה רציונלית של חומרי ממברנה ותהליכי הכנה, ניתן לשלוט במיקרו-מבנה של ממברנות ננו-פילטרציה, ולשפר משמעותית את שטף המים ושיעורי דחיית יוני המתכות הכבדות.

כיווני פיתוח עתידי:

• סלקטיביות יונים: בעולם האמיתי-מים מזוהמים, יוני מתכת מרובים מתקיימים במקביל. יש צורך לפתח ממברנות ננו-פילטרציה המסוגלות לשמור באופן סלקטיבי יוני מתכת ספציפיים כדי להשיג את המטרות הכפולות של טיהור מים והתאוששות מתכות.
• יציבות ממברנה: למחקר הנוכחי יש מחזורי בדיקה קצרים, והביצועים של רוב הממברנות מתדרדרים עם הזמן. יש צורך בקישור נוסף- או הכנסה של ננו-חלקיקים אנאורגניים יציבים כדי לשפר את יציבות הממברנה.
• ביצועי נוגדי ציפורניים: עיבוי ממברנות הוא אתגר נפוץ בטכנולוגיית ממברנות. יש צורך בהנדסת משטח (כגון בניית משטחים בעלי מטען חיובי ליצירת שכבות מים) כדי להפחית או למנוע ספיחת מזהמים.
• מצב הפעלה: רוב המחקרים משתמשים בסינון- ללא מוצא, ומזניח את הנושא של ספיחת יוני מתכת בתוך הממברנה. יישומים תעשייתיים דורשים מצבי פעולה צולבים-, ויש להקדיש תשומת לב רבה יותר לביצועים-לטווח ארוך של ממברנות במצב זה.