Què tan potents són les membranes de nanofiltració per a l'eliminació de metalls pesants?

El tractament d'aigües contaminades amb metalls pesants és un tema candent en l'àmbit ambiental. Una revisió recent resumeix sistemàticament el progrés de la investigació de les membranes de nanofiltració en l'eliminació d'ions de metalls pesants, revelant que mitjançant la innovació de materials i l'optimització del procés, el flux d'aigua de la membrana de nanofiltració es pot augmentar més de 3 vegades i la taxa d'eliminació de diversos ions de metalls pesants com Cu²⁺, Pb²⁺ i Cd²⁺ pot arribar a una solució eficient per a un tractament d'aigua i 999% sostenible.

La crisi mundial de l'escassetat d'aigua dolça amenaça la vida de més d'1.800 milions de persones. Hi ha dues raons principals per a aquesta situació: en primer lloc, l'aigua de mar representa la gran majoria dels recursos hídrics mundials, mentre que la quantitat d'aigua dolça utilitzable és limitada; segon, l'abocament d'aigües residuals condueix a una contaminació d'aigua dolça cada cop més greu. Tot i que la tecnologia de dessalinització d'aigua de mar ha avançat significativament en els darrers anys, l'excés d'ions de metalls pesants (com Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, etc.) a les aigües residuals poden contaminar l'aigua dessalada, i fins i tot la seva acumulació i toxicitat en el cos humà.

Per tant, el desenvolupament de tecnologies per eliminar de manera eficient quantitats traces de metalls pesants tòxics de l'aigua contaminada és especialment important, ja que això pot aconseguir simultàniament dos objectius: obtenir més aigua dolça i recuperar recursos valuosos.

Les membranes de nanofiltració tenen mides de porus entre 0,5-2 nm, que es troben entre les membranes d'ultrafiltració (10-100 nm, alt flux però baix rebuig) i les membranes d'osmosi inversa (alt rebuig però baix flux, alt consum d'energia). Les membranes de nanofiltració poden retenir eficaçment ions de metalls pesants alhora que proporcionen canals de transport de molècules d'aigua a través de nanopors, cosa que les converteix en una tecnologia d'avantguarda per tractar aigües residuals contaminades amb metalls pesants.

Mecanismes de separació:

Screening de mida: basat en la diferència de radi entre els materials retinguts i permeats. Les mides dels porus de la membrana de nanofiltració són més grans que el diàmetre de les molècules d'aigua (0,4 nm), però comparables al diàmetre dels ions de metalls pesants hidratats, permetent una separació efectiva ajustant la mida dels porus.

Repulsió de Donnan: basada en la repulsió electrostàtica entre ions i la superfície de la membrana carregada. Els ions de metalls pesants solen tenir càrrega positiva, per tant, una superfície de membrana carregada positivament és més propici per retenir ions contaminants.

A més, el pH de la solució d'alimentació afecta significativament el rendiment de la membrana: d'una banda, altera la càrrega superficial i el grau d'enllaç-creuat de la xarxa de polímers, afectant així la taxa de rebuig i la permeabilitat; d'altra banda, afecta l'estat dels ions metàl·lics.

Membranes orgàniques

Les membranes orgàniques es preparen normalment amb materials polimèrics, com ara polisulfona, acetat de cel·lulosa, fluorur de polivinilidè, polietersulfona, polidimetilsiloxà, polietilè, policarbonat i poliimida. Entre aquests, la poliamida és el material més utilitzat en la preparació de membranes de nanofiltració, mostrant un excel·lent rendiment en la dessalinització d'aigua de mar.

Membranes inorgàniques

Les membranes inorgàniques posseeixen una excel·lent estabilitat química i tèrmica i poden formar una estructura de porus uniforme. En la preparació de membranes inorgàniques s'han utilitzat materials ceràmics, vidre, metalls, zeolites, sílice, aliatges de pal·ladi i materials bi-dimensionals. Les membranes ceràmiques estan fetes d'òxids metàl·lics i els seus derivats, com ara TiO₂, SiO₂, ZrO₂ i Al₂O₃.

Membranes de matriu híbrida
Les membranes de matriu híbrida combinen la capacitat de processament de la solució dels polímers amb l'excel·lent permeabilitat dels additius de nanofarcits, amb l'objectiu de millorar simultàniament la permeabilitat i la selectivitat. Els additius que s'utilitzen habitualment inclouen:

• MOFs: quan s'incorpora MOF NH₂-MIL-125(Ti) al 0,010% en pes, la permeabilitat a l'aigua arriba als 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ i la taxa de rebuig de Ni²⁺ és del 90,9%.
• COF: després de la incorporació de triazina-COF hidròfila, el flux d'aigua arriba als 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, i les taxes de rebuig de Zn²⁺ i Pb²⁺ són del 93,8% i del 92,4%, respectivament.
• GO (material bi-dimensional): després de la incorporació de quitosà a GO, el flux d'aigua arriba als 55 L·m⁻²·h⁻¹, i la taxa de rebuig de Mn²⁺ és del 85%.
• Nanopartícules de ZnO: milloren la hidrofilicitat de la membrana, redueixen la rugositat de la superfície i milloren les propietats antiincrustantes.

Mètode d'inversió de fase

Aquest mètode, introduït per primera vegada a la tecnologia de membranes per Loeb i Sourajan el 1960, permet la fabricació d'un-pas de les capes selectives i de suport. La microestructura de la membrana es pot controlar ajustant la concentració de polímers, el tipus de bany de dissolvent i coagulació, els additius i les condicions ambientals. Per exemple:

• Membrana PPSU dopada amb cGO-: la permeabilitat a l'aigua va augmentar de 2,1 a 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, amb taxes de rebuig del 99%, 98%, 82%, 82% i 87% per a H₂AsO₄, HCrO₄²⁻,₄²⁻,₄²⁺, P2⁺, Pbd Zn²⁺, respectivament.
• Membrana CS-EDTA-mGO/PES (asistida per camp magnètic): el flux d'aigua va arribar a 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, taxa de rebuig de Pb²⁺ 98,2%, taxa de rebuig de Cd²⁺ 93,6%
• B-Membrana de nanopartícules de Cur/PES: taxes de rebuig superiors al 99% per a Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺

Mètode de polimerització interfacial

La polimerització interfacial és una de les tècniques de preparació de membranes de nanofiltració més utilitzades. Consisteix en submergir la membrana del substrat en una solució aquosa que conté monòmers d'amina, seguida de posar-la en contacte amb una solució orgànica que conté monòmers de clorur d'acil, formant una capa de poliamida ultrafina a la interfície. Els monòmers utilitzats habitualment són la piperazina i el clorur de trimesoil.

• Membranes de poliamida dopades de nanopartícules-COF: la permeabilitat a l'aigua va augmentar un 67% (fins a 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), amb taxes de rebuig de Cu²⁺, Mn²⁺ i Pb²⁺ del 98,3%, 98,4% i 99,4%, respectivament.
• Participació del comonòmer BHDA en la polimerització interfacial: el flux d'aigua va augmentar 2,4 vegades (fins a 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), amb taxes de rebuig de Cu²⁺, Zn²⁺ i Pb²⁺ del 96,5%, 96,2% i 88,4%, respectivament.
• Polimerització interfacial a baixa -temperatura (-15 graus): el gruix de la membrana va disminuir i el flux d'aigua va arribar a 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, les taxes de retenció de Mn²⁺, Cd²⁺ i Cu²⁺ van ser del 97,9%, 87,7% i 93,9%, respectivament.

Mètode de recobriment-immersió

El mètode de recobriment-immersió és senzill d'utilitzar, econòmic, eficient,-sense residus i-energèticament eficient. El substrat es submergeix a la solució de material actiu i es deixa reposar durant un període de temps, després es tira cap amunt a una velocitat constant, permetent que el dissolvent s'evapori i formi una pel·lícula.

• Membrana PEI enllaçada -positivament creuada (substrat ceràmic): el flux d'aigua va augmentar de 32 a 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, amb taxes de rebuig del 99,8% per a Cu²⁺, 96,8% per a As⁵⁺ i 97,2% per a C⁺r⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% per a Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.
• Membrana pre-complexada PEI/Cu²⁺: flux d'aigua 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, les taxes de retenció de Zn²⁺, Ni²⁺ i Cd²⁺ eren del 91,8%, 83,2% i 75,6%, respectivament.

Modificació/Funcionalització de la superfície

La modificació de la superfície pot construir capes ultrafines a la superfície de la membrana de nanofiltració, millorant simultàniament la selectivitat i la permeabilitat.

• 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% per a Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ i Cu²⁺, i una taxa de rebuig del 92% per Pb²⁺.
• Membrana PES modificada amb CNFs-co-Cs: el flux d'aigua va augmentar de 4,25 a 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% per a Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ i Ni²⁺.

La tecnologia de membrana de nanofiltració ha fet un avenç significatiu en el camp de l'eliminació d'ions de metalls pesants. Mitjançant la selecció racional de materials de membrana i processos de preparació, es pot controlar la microestructura de les membranes de nanofiltració, millorant significativament el flux d'aigua i les taxes de rebuig d'ions de metalls pesants.

Orientacions de desenvolupament futur:

• Selectivitat iònica: a l'aigua contaminada-del món real, coexisteixen múltiples ions metàl·lics. És necessari desenvolupar membranes de nanofiltració capaços de retenir selectivament ions metàl·lics específics per aconseguir el doble objectiu de purificació d'aigua i recuperació de metalls.
• Estabilitat de la membrana: la investigació actual té cicles de prova curts i el rendiment de la majoria de membranes es deteriora amb el temps. Per millorar l'estabilitat de la membrana, calen més-enllaços creuats o la introducció de nanopartícules inorgàniques estables.
• Rendiment antifouling: l'encrassement de la membrana és un repte comú en la tecnologia de membranes. L'enginyeria de superfícies (com la construcció de superfícies carregades positivament per formar capes d'aigua) és necessària per mitigar o prevenir l'adsorció de contaminants.
• Mode de funcionament: la majoria dels estudis utilitzen la filtració-de finals sense sortida, descuidant el problema de l'adsorció d'ions metàl·lics dins de la membrana. Les aplicacions industrials requereixen modes d'operació de flux-creuats, i s'ha de prestar més atenció al rendiment-a llarg termini de les membranes en aquest mode.