Màng lọc nano mạnh đến mức nào để loại bỏ kim loại nặng?

Xử lý nước nhiễm kim loại nặng đang là chủ đề nóng trong lĩnh vực môi trường. Một đánh giá gần đây tóm tắt một cách có hệ thống tiến trình nghiên cứu màng lọc nano trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng, cho thấy rằng thông qua đổi mới vật liệu và tối ưu hóa quy trình, dòng nước của màng lọc nano có thể tăng hơn 3 lần và tốc độ loại bỏ các ion kim loại nặng khác nhau như Cu2⁺, Pb2⁺ và Cd2⁺ có thể đạt trên 99%, mang lại giải pháp xử lý nước hiệu quả và bền vững.

Cuộc khủng hoảng thiếu nước ngọt toàn cầu đe dọa cuộc sống của hơn 1,8 tỷ người. Có hai nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng khó khăn này: thứ nhất, nước biển chiếm phần lớn nguồn tài nguyên nước toàn cầu, trong khi lượng nước ngọt có thể sử dụng lại có hạn; thứ hai, việc xả nước thải dẫn đến tình trạng ô nhiễm nước ngọt ngày càng nghiêm trọng. Mặc dù công nghệ khử muối trong nước biển đã đạt được tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây, nhưng lượng ion kim loại nặng quá mức (như Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, v.v.) trong nước thải có thể làm ô nhiễm nước khử muối, thậm chí gây tử vong do chúng tích tụ và gây độc trong cơ thể con người.

Do đó, việc phát triển các công nghệ để loại bỏ hiệu quả lượng vết kim loại nặng độc hại khỏi nước bị ô nhiễm là đặc biệt quan trọng, vì điều này có thể đồng thời đạt được hai mục tiêu: thu được nhiều nước ngọt hơn và thu hồi các nguồn tài nguyên quý giá.

Màng lọc nano có kích thước lỗ trong khoảng 0,5-2 nm, nằm giữa các màng siêu lọc (10-100 nm, thông lượng cao nhưng độ loại bỏ thấp) và màng thẩm thấu ngược (độ loại bỏ cao nhưng dòng chảy thấp, tiêu thụ năng lượng cao). Màng lọc nano có thể giữ lại các ion kim loại nặng một cách hiệu quả đồng thời cung cấp các kênh vận chuyển cho các phân tử nước thông qua các lỗ nano, khiến chúng trở thành công nghệ tiên tiến để xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng.

Cơ chế tách:

Sàng lọc kích thước: Dựa trên sự khác biệt về bán kính giữa vật liệu được giữ lại và thấm. Kích thước lỗ của màng lọc nano lớn hơn đường kính của các phân tử nước (0,4 nm), nhưng có thể so sánh với đường kính của các ion kim loại nặng ngậm nước, cho phép phân tách hiệu quả bằng cách điều chỉnh kích thước lỗ.

Lực đẩy Donnan: Dựa trên lực đẩy tĩnh điện giữa các ion và bề mặt màng tích điện. Các ion kim loại nặng thường tích điện dương, do đó bề mặt màng tích điện dương sẽ có lợi hơn cho việc giữ lại các ion ô nhiễm.

Hơn nữa, độ pH của dung dịch cấp liệu ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của màng: một mặt, nó làm thay đổi điện tích bề mặt và mức độ liên kết chéo-của mạng polyme, do đó ảnh hưởng đến tốc độ loại bỏ và tính thấm; mặt khác, nó ảnh hưởng đến trạng thái của các ion kim loại.

Màng hữu cơ

Màng hữu cơ thường được chuẩn bị bằng vật liệu polymer, chẳng hạn như polysulfone, cellulose acetate, polyvinylidene fluoride, polyethersulfone, polydimethylsiloxane, polyethylene, polycarbonate và polyimide. Trong số này, polyamit là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo màng lọc nano, thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong khử mặn nước biển.

Màng vô cơ

Màng vô cơ có tính ổn định hóa học và nhiệt tuyệt vời và có thể tạo thành cấu trúc lỗ chân lông đồng nhất. Vật liệu gốm, thủy tinh, kim loại, zeolit, silica, hợp kim palladium và vật liệu hai chiều-đã được sử dụng để chế tạo màng vô cơ. Màng gốm được làm từ các oxit kim loại và các dẫn xuất của chúng, chẳng hạn như TiO₂, SiO₂, ZrO₂ và Al₂O₃.

Màng ma trận lai
Màng ma trận lai kết hợp khả năng xử lý dung dịch của polyme với tính thấm tuyệt vời của chất phụ gia chất độn nano, nhằm mục đích cải thiện đồng thời tính thấm và độ chọn lọc. Các chất phụ gia thường được sử dụng bao gồm:

• MOF: Khi MOF NH₂-MIL-125(Ti) được kết hợp ở tỷ lệ 0,010 wt%, độ thấm nước đạt 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ và tỷ lệ loại bỏ Ni²⁺ là 90,9%.
• COF: Sau khi kết hợp COF triazine ưa nước{0}}, dòng nước đạt 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, đồng thời tỷ lệ loại bỏ Zn²⁺ và Pb²⁺ lần lượt là 93,8% và 92,4%.
• GO (vật liệu hai{0}}chiều): Sau khi kết hợp chitosan vào GO, dòng nước đạt 55 L·m⁻²·h⁻¹ và tỷ lệ loại bỏ Mn²⁺ là 85%.
• Hạt nano ZnO: Cải thiện tính ưa nước của màng, giảm độ nhám bề mặt và tăng cường đặc tính chống bám bẩn.

Phương pháp đảo pha

Phương pháp này lần đầu tiên được Loeb và Sourajan giới thiệu vào công nghệ màng vào năm 1960, cho phép chế tạo một-một bước các lớp chọn lọc và lớp hỗ trợ. Cấu trúc vi mô của màng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh nồng độ polymer, loại dung môi và chất đông tụ, chất phụ gia và điều kiện môi trường. Ví dụ:

• cGO-màng PPSU pha tạp cGO: Độ thấm nước tăng từ 2,1 lên 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, với tỷ lệ loại bỏ lần lượt là 99%, 98%, 82%, 82% và 87% đối với H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ và Zn²⁺.
• Màng CS-EDTA-mGO/PES (có hỗ trợ từ trường): Dòng nước đạt 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, tỷ lệ loại bỏ Pb²⁺ 98,2%, tỷ lệ loại bỏ Cd²⁺ 93,6%
• B-Màng hạt nano Curur/PES: Tỷ lệ loại bỏ vượt quá 99% đối với Fe2⁺, Cu2⁺, Pb2⁺, Mn2⁺, Zn2⁺ và Ni2⁺

Phương pháp trùng hợp bề mặt

Trùng hợp bề mặt là một trong những kỹ thuật chuẩn bị màng lọc nano được sử dụng rộng rãi nhất. Nó liên quan đến việc ngâm màng nền trong dung dịch nước chứa các monome amin, sau đó cho nó tiếp xúc với dung dịch hữu cơ chứa các monome acyl clorua, tạo thành một lớp polyamit siêu mỏng ở bề mặt. Các monome thường được sử dụng là piperazine và Trimesoyl clorua.

• Màng polyamit pha tạp hạt nano COF-: Độ thấm nước tăng 67% (lên 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), với tỷ lệ loại bỏ Cu²⁺, Mn²⁺ và Pb²⁺ lần lượt là 98,3%, 98,4% và 91,9%.
• Sự tham gia của comomer BHDA vào quá trình trùng hợp bề mặt: Dòng nước tăng 2,4 lần (lên 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), với tỷ lệ loại bỏ Cu²⁺, Zn²⁺ và Pb²⁺ lần lượt là 96,5%, 96,2% và 88,4%.
• Quá trình trùng hợp bề mặt ở nhiệt độ-thấp (-15 độ ): Độ dày màng giảm và dòng nước đạt 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, tỷ lệ duy trì của Mn²⁺, Cd²⁺ và Cu²⁺ lần lượt là 97,9%, 87,7% và 93,9%.

Phương pháp phủ nhúng-

Phương pháp phủ-nhúng rất đơn giản để vận hành, tiết kiệm, hiệu quả,-không lãng phí và tiết kiệm năng lượng-. Chất nền được ngâm trong dung dịch vật liệu hoạt tính và để yên trong một khoảng thời gian, sau đó được kéo lên với tốc độ không đổi, cho dung môi bay hơi và tạo thành màng.

• Màng PEI-liên kết chéo tích điện dương (nền gốm): Dòng nước tăng từ 32 lên 82 L·m⁻2·h⁻¹·bar⁻¹, với tỷ lệ loại bỏ là 99,8% đối với Cu²⁺, 96,8% đối với As⁵⁺ và 97,2% đối với Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% đối với Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ và Ni²⁺.
• Màng phức hợp trước PEI/Cu²⁺: Dòng nước 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, tỷ lệ lưu giữ đối với Zn²⁺, Ni²⁺ và Cd²⁺ lần lượt là 91,8%, 83,2% và 75,6%.

Sửa đổi/Chức năng hóa bề mặt

Việc sửa đổi bề mặt có thể tạo ra các lớp siêu mỏng trên bề mặt màng lọc nano, đồng thời cải thiện tính chọn lọc và tính thấm.

• 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% đối với Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ và Cu²⁺ và tỷ lệ loại bỏ là 92% đối với Pb²⁺.
• CNFs-co-Màng PES biến tính Cs: Dòng nước tăng từ 4,25 lên 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95%.

Công nghệ màng lọc nano đã có những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực loại bỏ ion kim loại nặng. Bằng cách lựa chọn hợp lý vật liệu màng và quy trình chuẩn bị, cấu trúc vi mô của màng lọc nano có thể được kiểm soát, cải thiện đáng kể dòng nước và tốc độ loại bỏ ion kim loại nặng.

Định hướng phát triển trong tương lai:

• Độ chọn lọc ion: Trong-nước bị ô nhiễm trên thế giới thực, nhiều ion kim loại cùng tồn tại. Cần phát triển màng lọc nano có khả năng giữ lại có chọn lọc các ion kim loại cụ thể để đạt được mục tiêu kép là lọc nước và thu hồi kim loại.
• Tính ổn định của màng: Nghiên cứu hiện tại có chu kỳ thử nghiệm ngắn và hiệu suất của hầu hết các màng giảm dần theo thời gian. Cần có thêm-liên kết ngang hoặc đưa vào các hạt nano vô cơ ổn định để cải thiện độ ổn định của màng.
• Hiệu suất chống hà: Sự tắc nghẽn màng là một thách thức phổ biến trong công nghệ màng. Kỹ thuật bề mặt (chẳng hạn như xây dựng các bề mặt tích điện dương để tạo thành các lớp nước) là cần thiết để giảm thiểu hoặc ngăn chặn sự hấp thụ chất ô nhiễm.
• Chế độ vận hành: Hầu hết các nghiên cứu sử dụng quá trình lọc{0}}ngõ cụt, bỏ qua vấn đề hấp phụ ion kim loại bên trong màng. Các ứng dụng công nghiệp yêu cầu các chế độ vận hành dòng chảy chéo và cần chú ý nhiều hơn đến hiệu suất lâu dài của màng ở chế độ này.