เมมเบรนกรองนาโนมีประสิทธิภาพเพียงใดในการกำจัดโลหะหนัก?

การบำบัดน้ำที่ปนเปื้อนโลหะหนักเป็นประเด็นร้อนในด้านสิ่งแวดล้อม การทบทวนล่าสุดสรุปความคืบหน้าการวิจัยของเมมเบรนกรองนาโนอย่างเป็นระบบในการกำจัดไอออนของโลหะหนัก โดยเผยให้เห็นว่าด้วยนวัตกรรมวัสดุและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ ฟลักซ์ของน้ำของเมมเบรนกรองนาโนสามารถเพิ่มขึ้นได้มากกว่า 3 เท่า และอัตราการกำจัดไอออนของโลหะหนักต่างๆ เช่น Cu²⁺, Pb²⁺ และ Cd²⁺ สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 99% ซึ่งเป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนสำหรับการบำบัดน้ำ

วิกฤตการขาดแคลนน้ำจืดทั่วโลกคุกคามชีวิตของผู้คนมากกว่า 1.8 พันล้านคน มีสองเหตุผลหลักสำหรับสถานการณ์นี้: ประการแรก น้ำทะเลถือเป็นทรัพยากรน้ำส่วนใหญ่ทั่วโลก ในขณะที่ปริมาณน้ำจืดที่ใช้ได้นั้นมีจำกัด ประการที่สอง การปล่อยน้ำเสียทำให้เกิดมลพิษในน้ำจืดที่รุนแรงมากขึ้น แม้ว่าเทคโนโลยีการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลจะมีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ไอออนของโลหะหนักที่มากเกินไป (เช่น Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ ฯลฯ) ในน้ำเสียสามารถปนเปื้อนในน้ำที่แยกเกลือออกได้ และอาจถึงขั้นเสียชีวิตเนื่องจากการสะสมและความเป็นพิษในร่างกายมนุษย์

ดังนั้น การพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อการกำจัดโลหะหนักที่เป็นพิษในปริมาณเล็กน้อยออกจากน้ำที่ปนเปื้อนจึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ เนื่องจากสามารถบรรลุเป้าหมายสองประการไปพร้อมๆ กัน นั่นคือ การได้รับน้ำจืดมากขึ้นและการกู้คืนทรัพยากรที่มีคุณค่า

เมมเบรนนาโนฟิลเตรชันมีขนาดรูพรุนระหว่าง 0.5-2 นาโนเมตร โดยอยู่ระหว่างเมมเบรนอัลตราฟิลเตรชัน (10-100 นาโนเมตร ฟลักซ์สูงแต่การปฏิเสธต่ำ) และเมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิส (การปฏิเสธสูงแต่ฟลักซ์ต่ำ การใช้พลังงานสูง) เยื่อกรองนาโนฟิลเตรชันสามารถกักเก็บไอออนของโลหะหนักได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็เป็นช่องทางการลำเลียงโมเลกุลของน้ำผ่านรูพรุนระดับนาโน ทำให้เมมเบรนเหล่านี้เป็นเทคโนโลยีล้ำหน้าในการบำบัดน้ำเสียที่ปนเปื้อนด้วยโลหะหนัก

กลไกการแยก:

การคัดกรองขนาด: ขึ้นอยู่กับความแตกต่างในรัศมีระหว่างวัสดุที่กักเก็บและวัสดุที่ซึมผ่าน ขนาดรูพรุนของเมมเบรนกรองนาโนมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุลของน้ำ (0.4 นาโนเมตร) แต่เทียบได้กับเส้นผ่านศูนย์กลางของไอออนโลหะหนักที่ถูกไฮเดรต ทำให้แยกได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการปรับขนาดรูพรุน

แรงผลักของดอนแนน: ขึ้นอยู่กับแรงผลักของไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนกับพื้นผิวเมมเบรนที่มีประจุ โดยทั่วไปไอออนของโลหะหนักจะมีประจุบวก ดังนั้นพื้นผิวเมมเบรนที่มีประจุบวกจึงเอื้อต่อการกักเก็บไอออนของมลพิษได้ดีกว่า

นอกจากนี้ ค่า pH ของสารละลายป้อนส่งผลต่อประสิทธิภาพของเมมเบรนอย่างมีนัยสำคัญ ในด้านหนึ่ง ค่า pH ที่พื้นผิวเปลี่ยนแปลงและระดับของการเชื่อมโยงข้าม-ของโครงข่ายโพลีเมอร์ ซึ่งส่งผลต่ออัตราการปฏิเสธและความสามารถในการซึมผ่าน ในทางกลับกันจะส่งผลต่อสถานะของไอออนของโลหะ

เมมเบรนอินทรีย์

โดยทั่วไปเยื่ออินทรีย์ถูกเตรียมโดยใช้วัสดุโพลีเมอร์ เช่น พอลิซัลโฟน, เซลลูโลสอะซิเตต, พอลิไวนิลิดีนฟลูออไรด์, พอลิอีเทอร์ซัลโฟน, พอลิไดเมทิลไซลอกเซน, พอลิเอทิลีน, โพลีคาร์บอเนตและพอลิอิไมด์ โพลีเอไมด์เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมเมมเบรนนาโนฟิลเตรชัน ซึ่งมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล

เมมเบรนอนินทรีย์

เยื่ออนินทรีย์มีความคงตัวทางเคมีและความร้อนที่ดีเยี่ยม และสามารถสร้างโครงสร้างรูพรุนที่สม่ำเสมอได้ วัสดุเซรามิก แก้ว โลหะ ซีโอไลต์ ซิลิกา แพลเลเดียมอัลลอยด์ และวัสดุสอง-ถูกนำมาใช้ในการเตรียมเมมเบรนอนินทรีย์ เมมเบรนเซรามิกทำจากโลหะออกไซด์และอนุพันธ์ของโลหะออกไซด์ เช่น TiO₂, SiO₂, ZrO₂ และ Al₂O₃

เมมเบรนเมทริกซ์ไฮบริด
เมมเบรนเมทริกซ์ไฮบริดผสมผสานความสามารถในการแปรรูปสารละลายของโพลีเมอร์เข้ากับความสามารถในการซึมผ่านที่ดีเยี่ยมของสารเติมแต่งนาโนฟิลเลอร์ โดยมีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงความสามารถในการซึมผ่านและการเลือกสรรไปพร้อมๆ กัน สารเติมแต่งที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ :

• MOF: เมื่อรวม MOF NH₂-MIL-125(Ti) ไว้ที่ 0.010 wt% ความสามารถในการซึมผ่านของน้ำจะสูงถึง 12.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ และอัตราการปฏิเสธ Ni²⁺ คือ 90.9%
• COF: หลังจากผสมไตรอาซีนที่ชอบน้ำ-COF ฟลักซ์ของน้ำจะสูงถึง 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ และอัตราการปฏิเสธของ Zn²⁺ และ Pb²⁺ คือ 93.8% และ 92.4% ตามลำดับ
• GO (วัสดุสอง-): หลังจากรวมไคโตซานเข้ากับ GO แล้ว ปริมาณน้ำจะสูงถึง 55 L·m⁻²·h⁻¹ และอัตราการปฏิเสธ Mn²⁺ คือ 85%
• อนุภาคนาโน ZnO: ปรับปรุงความสามารถในการละลายน้ำของเมมเบรน ลดความหยาบของพื้นผิว และเพิ่มคุณสมบัติในการกันเพรียง

วิธีการผกผันเฟส

วิธีการนี้เริ่มนำมาใช้กับเทคโนโลยีเมมเบรนเป็นครั้งแรกโดย Loeb และ Sourajan ในปี 1960 ช่วยให้สามารถสร้าง-ขั้นตอนเดียวของเลเยอร์แบบเลือกและชั้นรองรับได้ โครงสร้างจุลภาคของเมมเบรนสามารถควบคุมได้โดยการปรับความเข้มข้นของโพลีเมอร์ ประเภทของอ่างตัวทำละลายและการจับตัวเป็นก้อน สารเติมแต่ง และสภาพแวดล้อม ตัวอย่างเช่น:

• เมมเบรน PPSU ที่เจือด้วย cGO-: ความสามารถในการซึมผ่านของน้ำเพิ่มขึ้นจาก 2.1 เป็น 3.5 ลิตร·m⁻²·h⁻¹ โดยมีอัตราการปฏิเสธ 99%, 98%, 82%, 82% และ 87% สำหรับ H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ และ Zn²⁺ ตามลำดับ
• เมมเบรน CS-EDTA-mGO/PES (ช่วยด้วยสนามแม่เหล็ก): การไหลของน้ำสูงถึง 84.2 L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ อัตราการปฏิเสธ 98.2%, Cd²⁺ อัตราการปฏิเสธ 93.6%
• B-อนุภาคนาโน Cur/เมมเบรน PES: อัตราการปฏิเสธเกิน 99% สำหรับ Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ และ Ni²⁺

วิธีการพอลิเมอไรเซชันแบบผิวเผิน

โพลีเมอไรเซชันระหว่างผิวเป็นหนึ่งในเทคนิคการเตรียมเมมเบรนนาโนฟิลเตรชันที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด โดยเกี่ยวข้องกับการจุ่มเมมเบรนของซับสเตรตในสารละลายน้ำที่มีเอมีนโมโนเมอร์ ตามด้วยการสัมผัสกับสารละลายอินทรีย์ที่มีโมโนเมอร์อะซิลคลอไรด์ ทำให้เกิดชั้นโพลีเอไมด์บางเฉียบที่ส่วนต่อประสาน โมโนเมอร์ที่ใช้กันทั่วไปคือไพเพอราซีนและไตรเมโซอิลคลอไรด์

• เมมเบรนอนุภาคนาโน COF-ที่เจือด้วยโพลีเอไมด์: ความสามารถในการซึมผ่านของน้ำเพิ่มขึ้น 67% (เป็น 10.8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹) โดยมีอัตราการปฏิเสธ Cu²⁺, Mn²⁺ และ Pb²⁺ อยู่ที่ 98.3%, 98.4% และ 91.9% ตามลำดับ
• การมีส่วนร่วมของโคโมโนเมอร์ของ BHDA ในปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันระหว่างผิว: การไหลของน้ำเพิ่มขึ้น 2.4 เท่า (เป็น 12.9 ลิตร·m⁻²·h⁻¹) โดยมีอัตราการปฏิเสธ Cu²⁺, Zn²⁺ และ Pb²⁺ อยู่ที่ 96.5%, 96.2% และ 88.4% ตามลำดับ
• โพลีเมอไรเซชันระหว่างผิวที่อุณหภูมิต่ำ- (-15 องศา ): ความหนาของเมมเบรนลดลง และฟลักซ์ของน้ำถึง 19.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ อัตราการเก็บรักษาสำหรับ Mn²⁺, Cd²⁺ และ Cu²⁺ คือ 97.9%, 87.7% และ 93.9% ตามลำดับ

วิธีการเคลือบแบบจุ่ม-

วิธีการเคลือบแบบจุ่ม-นั้นใช้งานง่าย ประหยัด มีประสิทธิภาพ -ไร้ขยะ และประหยัดพลังงาน- วัสดุพิมพ์จะถูกจุ่มลงในสารละลายวัสดุออกฤทธิ์และปล่อยให้ยืนได้ระยะหนึ่ง จากนั้นจึงดึงขึ้นด้วยความเร็วคงที่ เพื่อให้ตัวทำละลายระเหยและสร้างฟิล์ม

• เมมเบรน PEI เชื่อมโยงที่มีประจุบวก- (ซับสเตรตเซรามิก): ฟลักซ์ของน้ำเพิ่มขึ้นจาก 32 เป็น 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ โดยมีอัตราการปฏิเสธ 99.8% สำหรับ Cu²⁺, 96.8% สำหรับ As⁵⁺ และ 97.2% สำหรับ Cr⁶⁺
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% สำหรับ Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ และ Ni²⁺
• PEI/Cu²⁺ เมมเบรนเชิงซ้อนก่อน-: ฟลักซ์น้ำ 8.1 ลิตร·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ อัตราการเก็บรักษาของ Zn²⁺, Ni²⁺ และ Cd²⁺ อยู่ที่ 91.8%, 83.2% และ 75.6% ตามลำดับ

การปรับเปลี่ยนพื้นผิว/การใช้งาน

การปรับเปลี่ยนพื้นผิวสามารถสร้างชั้นบางเฉียบบนพื้นผิวเมมเบรนนาโนฟิลเตรชัน ปรับปรุงการเลือกและการซึมผ่านไปพร้อมๆ กัน

• 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% สำหรับ Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ และ Cu²⁺ และอัตราการปฏิเสธ 92% สำหรับ Pb²⁺
• CNFs-co-Cs เมมเบรน PES ที่ดัดแปลง: การไหลของน้ำเพิ่มขึ้นจาก 4.25 เป็น 13.58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% สำหรับ Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ และ Ni²⁺

เทคโนโลยีเมมเบรนกรองนาโนมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านการกำจัดไอออนของโลหะหนัก ด้วยการเลือกวัสดุเมมเบรนและกระบวนการเตรียมการอย่างมีเหตุผล จึงสามารถควบคุมโครงสร้างจุลภาคของเมมเบรนนาโนฟิลเตรชันได้ ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการไหลของน้ำและอัตราการปฏิเสธไอออนของโลหะหนักได้อย่างมาก

ทิศทางการพัฒนาในอนาคต:

• การเลือกไอออน: ในโลกน้ำเสียจริง- มีไอออนของโลหะหลายตัวอยู่ร่วมกัน จำเป็นต้องพัฒนาเมมเบรนกรองระดับนาโนที่สามารถคัดเลือกไอออนของโลหะจำเพาะเพื่อให้บรรลุเป้าหมายสองประการในการทำน้ำให้บริสุทธิ์และการนำโลหะกลับมาใช้ใหม่
• ความเสถียรของเมมเบรน: การวิจัยในปัจจุบันมีรอบการทดสอบที่สั้น และประสิทธิภาพของเมมเบรนส่วนใหญ่จะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป จำเป็นต้องมีการเชื่อมโยงข้าม-เพิ่มเติมหรือการแนะนำอนุภาคนาโนอนินทรีย์ที่มีความเสถียรเพื่อปรับปรุงความเสถียรของเมมเบรน
• ประสิทธิภาพการกันเพรียง: การเปรอะเปื้อนของเมมเบรนถือเป็นความท้าทายที่พบบ่อยในเทคโนโลยีเมมเบรน วิศวกรรมพื้นผิว (เช่น การสร้างพื้นผิวที่มีประจุบวกเพื่อสร้างชั้นน้ำ) เป็นสิ่งจำเป็นในการลดหรือป้องกันการดูดซับมลพิษ
• โหมดการทำงาน: การศึกษาส่วนใหญ่ใช้การกรองแบบเดดเอนด์- โดยละเลยปัญหาการดูดซับไอออนของโลหะภายในเมมเบรน การใช้งานทางอุตสาหกรรมจำเป็นต้องมีโหมดการทำงานแบบไหลข้าม- และควรให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพในระยะยาวของเมมเบรนภายใต้โหมดนี้-มากขึ้น