Pa mor Bwerus yw Pilenni Nanofiltration ar gyfer Tynnu Metel Trwm?

Mae trin dŵr wedi'i halogi â metel trwm yn bwnc llosg ym maes yr amgylchedd. Mae adolygiad diweddar yn crynhoi'n systematig gynnydd ymchwil pilenni nanofiltrau wrth ddileu ïonau metel trwm, gan ddatgelu y gellir cynyddu fflwcs dŵr bilen nanofiltradiad fwy na 3 gwaith trwy arloesi deunydd a optimeiddio prosesau, a gall cyfradd tynnu ïonau metel trwm amrywiol megis Cu²⁺, Pb²⁺, a Cd²⁺ gyrraedd dros 99% o driniaeth gynaliadwy, gan ddarparu datrysiad dŵr effeithlon.

Mae'r argyfwng prinder dŵr croyw byd-eang yn bygwth bywydau mwy na 1.8 biliwn o bobl. Mae dau brif reswm dros y sefyllfa anodd hon: yn gyntaf, dŵr môr sy'n cyfrif am y mwyafrif helaeth o adnoddau dŵr byd-eang, tra bod swm y dŵr croyw y gellir ei ddefnyddio yn gyfyngedig; yn ail, mae gollwng dŵr gwastraff yn arwain at lygredd dŵr croyw cynyddol ddifrifol. Er bod technoleg dihalwyno dŵr môr wedi gwneud cynnydd sylweddol yn y blynyddoedd diwethaf, gall ïonau metel trwm gormodol (fel Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, ac ati) mewn dŵr gwastraff halogi'r dŵr gwastraff a achosir gan y corff dihalwyno a hyd yn oed yn y corff dihalwyno a'u marwolaeth.

Felly, mae datblygu technolegau ar gyfer tynnu symiau hybrin o fetelau trwm gwenwynig o ddŵr llygredig yn arbennig o bwysig, oherwydd gall hyn gyflawni dau nod ar yr un pryd: cael mwy o ddŵr ffres ac adennill adnoddau gwerthfawr.

Mae gan bilenni nanofiltration feintiau mandwll rhwng 0.5-2 nm, sy'n disgyn rhwng pilenni ultrafiltration (10-100 nm, fflwcs uchel ond gwrthodiad isel) a philenni osmosis gwrthdro (gwrthodiad uchel ond fflwcs isel, defnydd uchel o ynni). Gall pilenni nanofiltradu gadw ïonau metel trwm yn effeithiol wrth ddarparu sianeli trafnidiaeth ar gyfer moleciwlau dŵr trwy nanoborau, gan eu gwneud yn dechnoleg flaengar ar gyfer trin dŵr gwastraff trwm wedi'i halogi â metel.

Mecanweithiau Gwahanu:

Sgrinio Maint: Yn seiliedig ar y gwahaniaeth mewn radiws rhwng y deunyddiau a gedwir a'r deunyddiau treiddio. Mae meintiau mandwll bilen nanofiltration yn fwy na diamedr moleciwlau dŵr (0.4 nm), ond yn debyg i ddiamedr ïonau metel trwm hydradol, gan ganiatáu ar gyfer gwahanu effeithiol trwy addasu maint y mandwll.

Gwrthyriad Donnan: Yn seiliedig ar y gwrthyriad electrostatig rhwng ïonau ac arwyneb y bilen â gwefr. Mae ïonau metel trwm fel arfer yn cael eu gwefru'n bositif, felly mae arwyneb pilen â gwefr bositif yn fwy ffafriol i gadw ïonau llygrydd.

Ar ben hynny, mae pH yr hydoddiant porthiant yn effeithio'n sylweddol ar berfformiad y bilen: ar y naill law, mae'n newid y tâl arwyneb a graddfa'r croesgysylltu'r rhwydwaith polymerau, gan effeithio ar y gyfradd wrthod a athreiddedd; ar y llaw arall, mae'n effeithio ar gyflwr ïonau metel.

Pilenni Organig

Mae pilenni organig fel arfer yn cael eu paratoi gan ddefnyddio deunyddiau polymer, megis polysulfone, asetad cellwlos, fflworid polyvinylidene, polyethersulfone, polydimethylsiloxane, polyethylen, polycarbonad, a polyimide. Ymhlith y rhain, polyamid yw'r deunydd a ddefnyddir fwyaf wrth baratoi pilen nanofiltradu, sy'n arddangos perfformiad rhagorol mewn dihalwyno dŵr môr.

Pilenni Anorganig

Mae gan bilenni anorganig sefydlogrwydd cemegol a thermol rhagorol a gallant ffurfio strwythur mandwll unffurf. Mae deunyddiau ceramig, gwydr, metelau, zeolites, silica, aloion palladium, a deunyddiau dau ddimensiwn wedi'u defnyddio wrth baratoi pilenni anorganig. Mae pilenni ceramig yn cael eu gwneud o ocsidau metel a'u deilliadau, megis TiO₂, SiO₂, ZrO₂, ac Al₂O₃.

Pilenni Matrics Hybrid
Mae pilenni matrics hybrid yn cyfuno prosesadwyedd datrysiad polymerau â athreiddedd rhagorol ychwanegion nanofilwr, gyda'r nod o wella athreiddedd a detholedd ar yr un pryd. Mae ychwanegion a ddefnyddir yn gyffredin yn cynnwys:

• MOFs: Pan ymgorfforir MOF NH₂-MIL-125(Ti) ar 0.010 wt%, mae athreiddedd dŵr yn cyrraedd 12.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a chyfradd gwrthod Ni²⁺ yw 90.9%.
• COFs: Ar ôl ymgorffori triazine hydroffilig-COFs, mae’r fflwcs dŵr yn cyrraedd 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, a’r cyfraddau gwrthod Zn²⁺ a Pb²⁺ yw 93.8% a 92.4%, yn y drefn honno.
• GO (deunydd dau-ddimensiwn): Ar ôl ymgorffori chitosan yn GO, mae'r fflwcs dŵr yn cyrraedd 55 L·m⁻²·h⁻¹, a'r gyfradd wrthod Mn²⁺ yw 85%.
• Nanoronynnau ZnO: Gwella hydrophilicity bilen, lleihau garwedd wyneb, a gwella eiddo gwrthffowlio.

Dull Gwrthdroad Cyfnod

Mae'r dull hwn, a gyflwynwyd gyntaf i dechnoleg pilenni gan Loeb a Sourajan ym 1960, yn caniatáu ar gyfer gwneuthuriad un cam o'r haenau dethol a chynhaliol. Gellir rheoli microstrwythur y bilen trwy addasu crynodiad polymer, math bath toddyddion a cheulo, ychwanegion, ac amodau amgylcheddol. Er enghraifft:

• cGO-pilen PPSU wedi'i dopio: Cynyddodd athreiddedd dŵr o 2.1 i 3.5 L·m⁻²·h⁻¹, gyda chyfraddau gwrthod o 99%, 98%, 82%, 82%, ac 87% ar gyfer H₂AsO₄, HCrO, C₄⁲ a P² Zn²⁺, yn y drefn honno.
• CS{0}}EDTA-mGO/PES pilen (maes magnetig gyda chymorth): Cyrhaeddodd fflwcs dŵr 84.2. L·m⁻²·h⁻¹, cyfradd gwrthod Pb²⁺ 98.2%, cyfradd gwrthod Cd²⁺ 93.6%
• B-Cur nanoronynnau/pilen PES: Cyfraddau gwrthod yn fwy na 99% ar gyfer Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, a Ni²⁺

Dull polymerization rhyngwynebol

Polymerization rhyngwynebol yw un o'r technegau paratoi bilen nanofiltrau a ddefnyddir fwyaf. Mae'n golygu trochi'r bilen swbstrad mewn hydoddiant dyfrllyd sy'n cynnwys monomerau amin, ac yna cysylltu ag ef â hydoddiant organig sy'n cynnwys monomerau acyl clorid, gan ffurfio haen polyamid ultrathin yn y rhyngwyneb. Monomerau a ddefnyddir yn gyffredin yw piperazine a trimesoyl clorid.

• nanoronynnau COF -pilenni polyamid dopedig: Cynyddodd athreiddedd dŵr 67% (i 10.8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), gyda chyfraddau gwrthod Cu²⁺, Mn²⁺, a Pb²⁺ o 98.3%, 9, 9 a 9% yn y drefn honno.
• Cyfranogiad comonomer BHDA mewn polymerization rhyngwynebol: Cynyddodd fflwcs dŵr 2.4 gwaith (i 12.9 L·m⁻²·h⁻¹), gyda chyfraddau gwrthod Cu²⁺, Zn²⁺, a Pb²⁺ o 96.5%, 96.2%, a 88.4% yn y drefn honno.
• Polymerization rhyngwyneb tymheredd isel- (-15 gradd ): Gostyngodd trwch y bilen, a chyrhaeddodd fflwcs dŵr 19.2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, y cyfraddau cadw ar gyfer Mn²⁺, Cd²⁺, a Cu²⁺ oedd 97.9%, 87.7%, a 93.9%, yn y drefn honno.

Dip{0}}dull cotio

Mae'r dull gorchuddio dip yn syml i'w weithredu, yn ddarbodus, yn effeithlon, yn ddi-wastraff ac yn ynni-effeithlon. Mae'r swbstrad yn cael ei drochi yn yr hydoddiant deunydd gweithredol a'i ganiatáu i sefyll am gyfnod o amser, yna ei dynnu i fyny ar gyflymder cyson, gan ganiatáu i'r toddydd anweddu a ffurfio ffilm.

• Pilen PEI croesgysylltiedig wedi'i gwefru'n bositif (swbstrad ceramig): Cynyddodd fflwcs dŵr o 32 i 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, gyda chyfraddau gwrthod o 99.8% ar gyfer Cu²⁺, 96.8% ar gyfer As⁵⁺, ⁶⁶, a 96% ar gyfer C.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% ar gyfer Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, a Ni²⁺.
• PEI/Cu²⁺ cyn-pilen gymhleth: Fflwcs dŵr 8.1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, y cyfraddau cadw ar gyfer Zn²⁺, Ni²⁺, a Cd²⁺ oedd 91.8%, 83.2%, a 75.

Addasu / Swyddogaethu Arwyneb

Gall addasu wyneb adeiladu haenau ultrathin ar wyneb y bilen nanofiltrau, gan wella detholusrwydd a athreiddedd ar yr un pryd.

• 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% ar gyfer Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, a Cu²⁺, a chyfradd gwrthod o 92% ar gyfer Pb²⁺.
• CNFs-co-Cs wedi'u haddasu pilen PES: Cynyddodd fflwcs dŵr o 4.25 i 13.58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% ar gyfer Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, a Ni²⁺.

Mae technoleg bilen nanofiltration wedi gwneud cynnydd sylweddol ym maes tynnu ïon metel trwm. Trwy ddewis deunyddiau bilen a phrosesau paratoi yn rhesymegol, gellir rheoli microstrwythur pilenni nanofiltrau, gan wella'n sylweddol gyfraddau gwrthod ïon fflwcs dŵr a metel trwm.

Cyfeiriadau Datblygu yn y Dyfodol:

• Dewisoldeb Ion: Mewn-dŵr llygredig y byd go iawn, mae ïonau metel lluosog yn cydfodoli. Mae angen datblygu pilenni nanofiltration sy'n gallu cadw ïonau metel penodol yn ddetholus i gyflawni nodau deuol puro dŵr ac adfer metel.
• Sefydlogrwydd bilen: Mae gan ymchwil gyfredol gylchoedd profi byr, ac mae perfformiad y rhan fwyaf o bilenni'n dirywio dros amser. Mae angen rhagor o groesgysylltu neu gyflwyno nanoronynnau anorganig sefydlog i wella sefydlogrwydd y bilen.
• Perfformiad Gwrthfowlio: Mae baeddu pilenni yn her gyffredin mewn technoleg pilenni. Mae angen peirianneg arwyneb (fel adeiladu arwynebau â gwefr bositif i ffurfio haenau dŵr) i liniaru neu atal arsugniad llygryddion.
• Modd Gweithredu: Mae'r rhan fwyaf o astudiaethau'n defnyddio hidlo pen marw, gan esgeuluso mater arsugniad ïon metel o fewn y bilen. Mae angen moddau gweithredu trawslif ar gymwysiadau diwydiannol, a dylid rhoi mwy o sylw i-berfformiad hirdymor pilenni o dan y modd hwn.