مروری بر پیشرفت‌های اخیر غشاهای مورد استفاده برای نانوصافش (NF) در حذف فلزات سنگین از پساب
محورهای موضوعی : پليمرها و نانوفناوری
فرزاد مهرجو
1
(تهران، دانشگاه علم و صنعت، مرکز پژوهش و فناوری علم و توسعه)
محمدصابر باغخانی پور
2
(مركز پژوهش و فناوري)
امیر علم
3
(تهران، دانشگاه علم و صنعت، مرکز پژوهش و فناوری علم و توسعه)
کلید واژه: غشاء, نانوصافش, فلزات سنگین, حذف, پساب,
چکیده مقاله :
وجود یونهای فلزات سنگین در پساب های آلوده تهدیدی جدی برای سلامت انسان بوده و دفع صحیح آن ها از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از غشاهای نانوصافش (Nanofiltration) به دلیل عملکرد کارآمد، طراحی سازگار و مقرون به صرفه بودن، به عنوان یکی از مؤثرترین روشهای حذف یون فلزات سنگین از پساب مطرح شده است. غشاهای نانوصافش (NF) ایجادشده از مواد پیشرفته به دلیل توانایی آن ها در آلودگی پساب در شرایط مختلف به طور فزاینده ای محبوب شده اند. ثابت شده است که ویژگیهای غشای نانوصافش (NF) برای حذف کارآمد یونهای فلزات سنگین از پساب، روشهای پلیمرشدن سطحی و پیوند، همراه با افزودن پرکننده‌های نانو، مؤثرترین روشهای اصلاح هستند. این پژوهش مروری بر فرایندهای اصلاح و عملکرد غشای نانوصافش (NF) برای حذف فلزات سنگین از پساب و همچنین بررسی کاربرد این غشاها برای تصفیه پساب یون فلزات سنگین است. بازده تصفیه بسیار بالا، مانند 90/99 %، با استفاده از غشاهای متشکل از پلی وینیل‌آمین (Polyvinyl Amine) و گلوتارآلدئید (Glutaraldehyde) برای حذف کروم سه ظرفیتی از پساب به دست آمده است. با این حال، غشاهای نانوصافش (NF) دارای معایب خاصی از جمله رسوب غشا هستند که تمیز کردن مکرر غشا بر طول عمر آن تأثیر می گذارد.
The presence of heavy metal ions in polluted wastewater represents a serious threat to human health, making proper disposal extremely important. The utilization of nanofiltration (NF) membranes has emerged as one of the most effective methods of heavy metal ion removal from wastewater due to their efficient operation, adaptable design, and affordability. NF membranes created from advanced materials are becoming increasingly popular due to their ability to depollute wastewater in a variety of circumstances. Tailoring the NF membrane’s properties to efficiently remove heavy metal ions from wastewater, interfacial polymerization, and grafting techniques, along with the addition of nano-fillers, have proven to be the most effective modification methods. This paper presents a review of the modification processes and NF membrane performances for the removal of heavy metals from wastewater, as well as the application of these membranes for heavy metal ion wastewater treatment. Very high treatment efficiencies, such as 99.90%, have been achieved using membranes composed of polyvinyl amine (PVAM) and glutaraldehyde (GA) for Cr3+ removal from wastewater. However, nanofiltration membranes have certain drawbacks, such as fouling of the NF However, nanofiltration membranes have certain drawbacks, such as fouling of the NF membrane. Repeated cleaning of the membrane influences its lifetime. membrane. Repeated cleaning of the membrane influences its lifetime.
1. Imdad S., Dohare R.K., A Critical Review on Heavy Metals Removal Using Ionic Liquid Membranes from the Industrial Wastewater, Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 173, 108812, 2022.
2. Frazzoli C., Ruggieri F., Battistini B., Orisakwe O.E., Igbo J.K., Bocca B. E-WASTE Threatens Health: The Scientific Solution Adopts the One Health Strategy, Environmental Research, 212, 113227, 2022.
3. NTPA 001., Valori Limita de Incarcare Cu Poluanti a Apelor Uzate Industriale Si Orasenesti Evacuate in Receptori Naturali, |Molecula H2O, 2023.
4. Altaf M., Yamin N., Muhammad G., Raza M.A., Shahid M., Ashraf R.S., Electroanalytical Techniques for the Remediation of Heavy Metals from Wastewater, In Water Pollution and Remediation: Heavy Metals, Springer: Cham, Switzerland, 53, 471–511, 2021.
5. Benassi L., Zanoletti A., Depero L.E., Bontempi E., Sewage Sludge Ash Recovery as Valuable Raw Material for Chemical Stabilization of Leachable Heavy Metals, Journal of Environmental Management, 245, 464–470, 2019.
6. Nekouei R.K., Pahlevani F., Assefi M., Maroufi S., Sahajwalla V., Selective Isolation of Heavy Metals from Spent Electronic Waste Solution by Macroporous Ion-Exchange Resins, Journal of Hazardous Materials, 371, 389–396, 2019.
7. Adeola, A.O., Nomngongo, P.N., Advanced Polymeric Nanocomposites for Water Treatment Applications: A Holistic Perspective, Polymers, 14, 2462, 2022.
8. Charcosset C., Ultrafiltration, Microfiltration, Nanofiltration and Reverse Osmosis in Integrated Membrane Processes, In Integrated Membrane Systems and Processes, 1st ed., Basile, A., Charcosset C., Eds., John Wiley & Sons, Ltd.: Hoboken, NJ, USA, 1–22, 2016.
9. Cao L., Zhang Y., Ni L., Feng X., A Novel Loosely Structured Nanofiltration Membrane Bioreactor for Wastewater Treatment: Process Performance and Membrane Fouling, Journal of Membrane Science, 644, 120128, 2022.
10. Ma Z., Ren L.F., Ying D., Jia J., Shao J., Sustainable Electrospray Polymerization Fabrication of Thin-Film Composite Polyamide Nanofiltration Membranes for Heavy Metal Removal, Desalination, 539, 115952, 2022.
11. Lofrano G., Carotenuto M., Libralato, G., Domingos R.F., Markus A., Dini L., Gautam R.K., Baldantoni D., Rossi M., Sharma S.K., Polymer Functionalized Nanocomposites for Metals Removal from Water and Wastewater: An Overview, Water Research, 92, 22–37, 2016.
12. Ma X., Zhao S., Tian Z., Duan G., Pan H., Yue Y., Li S., Jian S., Yang W., Liu K., MOFs Meet Wood: Reusable Magnetic Hydrophilic Composites Toward Efficient Water Treatment with Super-High Dye Adsorption Capacity at High Dye Concentration, Chemical Engineering Journal, 446, 136851, 2022.
13. Jian S., Chen Y., Shi F., Liu Y., Jiang W., Hu J., Han X., Jiang S., Yang W., Template-Free Synthesis of Magnetic La-Mn-Fe Tri-Metal Oxide Nanofibers for Efficient Fluoride Remediation: Kinetics, Isotherms, Thermodynamics and Reusability, Polymers, 14, 5417, 2022.
14. Wang J., Sun Y., Zhao X., Chen L., Peng S., Ma C., Duan G., Liu Z., Wang H., Yuan Y., A Poly (Amidoxime)-Modified MOF Microporous Membrane for High-Efficient Uranium Extraction from Seawater, e-Polymers, 22, 399–410, 2022.
15. Ma X., Zhao S., Tian Z., Duan G., Pan H., Yue Y., Li S., Jian S., Yang W., Liu K., MOFs Meet Wood: Reusable Magnetic Hydrophilic Composites Toward Efficient Water Treatment with Super-High Dye Adsorption Capacity at High Dye Concentration, Chemical Engineering Journal, 446, 136851, 2022.
16. Jian S., Chen Y., Shi F., Liu Y., Jiang W., Hu J., Han X., Jiang S., Yang W., Template-Free Synthesis of Magnetic La-Mn-Fe Tri-Metal Oxide Nanofibers for Efficient Fluoride Remediation: Kinetics, Isotherms, Thermodynamics and Reusability, Polymers, 14, 5417, 2022.
17. Wang J., Sun Y., Zhao X., Chen L., Peng S., Ma C., Duan, G., Liu Z., Wang H., Yuan, Y., A Poly (Amidoxime)-Modified MOF Microporous Membrane for High-Efficient Uranium Extraction from Seawater, e-Polymers, 22, 399–410, 2022.
18. Singh R., Introduction to Membrane Technology. In Membrane Technology and Engineering for Water Purification: Application, Systems Design and Operation, 2nd ed., Butterworth-Heinemann: Colorado Springs, CO, USA, 1–80, 2015.
19. Linder C., Kedem O., History of Nanofiltration Membranes from 1960 to 1990. In Nanofiltration: Principles, Applications, and New Materials, 2nd ed., Schäefer, A.I., Fane, A.G., Eds., WILEY-VCH GmbH: Weinheim, Germany, Chapter 1, 1–34, 2021.
20. Zhu J., Yuan S., Wang J., Zhang Y., Tian M., Van der Bruggen B., Microporous Organic Polymer-Based Membranes for Ultrafast Molecular Separations, Progress in Polymer Science, 110, 101308, 2020.
21. Goh P.S., Ismail A.F., A Review on Inorganic Membranes for Desalination and Wastewater Treatment, Desalination, 434, 60–80, 2018.
22. Bandehali S., Parvizian F., Ruan H., Moghadassi A., ShenJ., Figoli A., Adeleye A.S., Hilal N., Matsuura T., Drioli E., A Planned Review on Designing of High-Performance Nanocomposite Nanofiltration Membranes for Pollutants Removal from Water, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 101, 78–125, 2021.
23. Park N., Kwon B., Kim I.S., Cho J. Biofouling Potential of Various NF Membranes with Respect to Bacteria and Their Soluble Microbial Products (SMP): Characterizations, Flux Decline, and Transport Parameters, Journal of Membrane Science, 258, 43–54, 2005.
24. Farahbakhsh J., Vatanpour V., Khoshnam M., Zargar M., Recent Advancements in the Application of New Monomers and Membrane Modification Techniques for the Fabrication of Thin Film Composite Membranes: A Review, Reactive & Functional Polymers, 166, 105015, 2021.
25. Fallahnejad Z., Bakeri G., Ismail A.F., Overcoming the Tradeoff Between the Permeation and Rejection of TFN Nanofiltration Membranes Through Embedding Magnetic Inner Surface Functionalized Nanotubes, Process Safety and Environmental Protection, 165, 815–840, 2022.
26. Ahmad N.N.R., Ang W.L., Teow Y.H., Mohammad A.W., Hilal N., Nanofiltration Membrane Processes for Water Recycling, Reuse and Product Recovery Within Various Industries: A Review, Journal of Water Process Engineering, 45, 102478, 2022.
27. Lau W.J., Ismail A.F., Goh P.S., Hilal N., Ooi B.S., Characterization Methods of Thin Film Composite Nanofiltration Membranes, Separation & Purification Reviews, 44, 135–156, 2014.
28. Li S., Wang X., Guo Y., Hu J., Lin S., Tu Y., Chen L., Ni Y., Huang L., Recent Advances on Cellulose-Based Nanofiltration Membranes and Their Applications in Drinking Water Purification: A Review, Journal of Cleaner Production, 333, 130171, 2022.
29. Francisco N.C., Harir M., Lucio M., Ribera G., Llado X.M., Rovira M., Caixach J., High-Field FT-ICR Mass Spectrometry and NMR Spectroscopy to Characterize DOM Removal Through a Nanofiltration Pilot Plant, Water Research, 67, 154–165, 2014.
30. Teixeira M.R., Rosa M.J., Nystrom M., The Role of Membrane Charge on Nanofiltration Performance, Journal of Membrane Science, 265, 160–166, 2005.
31. Johnson D.J., Al Malek S.A., Al-Rashdi B.A.M., Hilal N., Atomic Force Microscopy of Nanofiltration Membranes: Effect of Imaging Mode and Environment, Journal of Membrane Science, 389, 486–498, 2012.
32. Hurwitz G., Guillen G.R., Hoek E.M.V., Probing Polyamide Membrane Surface Charge, Zeta Potential, Wettability, and Hydrophilicity with Contact Angle Measurements, Journal of Membrane Science, 349, 349–357, 2010.
33. Epsztein R., DuChanois R.M., Ritt C.L., Noy A., Elimelech M., Towards Single-Species Selectivity of Membranes with Subnanometre Pores, Nature Nanotechnology, 15, 426–436, 2020.
34. Sutariya B., Karan S., A Realistic Approach for Determining the Pore Size Distribution of Nanofiltration Membranes, Separation and Purification Technology, 293, 121096, 2022.
35. Michaels A.S., Analysis and Prediction of Sieving Curves for Ultrafiltration Membranes-A Universal Correlation, Separation and Purification Technology, 15, 1305–1322, 1980.
36. Fu R.Y., Zhang, T., Wang, X.-M., Rigorous Determination of Pore Size Non-Uniformity for Nanofiltration Membranes by Incorporating the Effects on Mass Transport, Desalination, 549, 116318, 2023.
37. Bowen W.R., Mohammad A.W., Hilal N., Characterizations of Nanofiltration Membranes for Predictive Purposes-Use of Salts, Uncharged Solutes and Atomic Force Microscopy, Journal of Membrane Science, 126, 91–105, 1997.
38. Rafique M.S., Tahir M.B., Rafique M., Shakil M., Photocatalytic Nanomaterials for Air Purification and Self-Cleaning, In Nanotechnology and Photocatalysis for Environmental Applications, Tahir M.B., Rafique M., Rafique M.S., Eds., In Micro and Nano Technologies, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 203–219, 2020.
39. Samavati Z., Samavati A., Goh P.S., Ismail A.F., Abdullah M.S., A Comprehensive Review of Recent Advances in Nanofiltration Membranes for Heavy Metal Removal from Wastewater, Chemical Engineering Research and Design, 189, 530–571, 2023.
40. Pinem J.A., Wardani A.K., Aryanti P.T.P., Khoiruddin K., Wenten I.G., Hydrophilic Modification of Polymeric Membrane Using Graft Polymerization Method: A Mini Review, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 547, 012054, 2019.
41. Jamil T.S., Mansor E.S., Abdallah H., Shaban A.M., Souaya E.R., Novel Anti Fouling Mixed Matrix CeO2/Ce7O12 Nanofiltration Membranes for Heavy Metal Uptake, Journal of Environmental Chemical Engineering, 6, 3273–3282, 2018.
42. Mkpuma V.O., Moheimani N.R., Fischer K., Schulze A., Ennaceri H., Membrane Surface Zwitterionization for An Efficient Microalgal Harvesting: A Review, Algal Research, 66, 102797, 2022.
43. Guo C., Duan F., Zhang S., He, L., Wang M., Chen J., Zhang J., Jia, Q., Zhang Z., Du M., Heterostructured Hybrids of Metal–Organic Frameworks (MOFs) And Covalent–Organic Frameworks (COFs), Journal of Materials Chemistry, 10, 475–507, 2022.
44. Pakizeh M., May P., Matthias M., Ulbricht M., Preparation and Characterization of Polyzwitterionic Hydrogel Coated Polyamide-Based Mixed Matrix Membrane for Heavy Metal Ions Removal, Journal of Applied Polymer Science, 137, 49595, 2020.
45. Elimelech M., Zhu, X., Childress A.E., Hong S., Role of Membrane Surface Morphology in Colloidal Fouling of Cellulose Acetate and Composite Aromatic Polyamide Reverse Osmosis Membranes, Journal of Membrane Science, 127, 101–109, 1997.
46. Zhang W., Jiang F., Membrane Fouling in Aerobic Granular Sludge (AGS)-Membrane Bioreactor (MBR): Effect of AGS Size, Water Research, 157, 445–453, 2019.
47. Huisman I.H., Pradanos P., Hernandez A., The Effect of Protein–Protein and Protein–Membrane Interactions on Membrane Fouling in Ultrafiltration, Journal of Membrane Science, 179, 79–90, 2000.
48. Rana D., Matsuura T., Surface Modifications for Antifouling Membranes, Chemical Reviews, 110, 2448–2471, 2010.
49. Lee J., Kim I.S., Hwang M.H., Chae K.J., Atomic Layer Deposition and Electrospinning as Membrane Surface Engineering Methods for Water Treatment: A Short Review, Environmental Science: Water Research & Technology, 6, 1765–1785, 2020.
50. Nikkola J., Sievanen, J., Raulio, M., Wei, J., Vuorinen, J., Tang C.Y., Surface Modification of Thin Film Composite Polyamide Membrane Using Atomic Layer Deposition Method, Journal of Membrane Science, 450, 174–180, 2014.
51. Wang C., Chen Y., Hu X., Guo P., Engineering Novel High Flux Thin-Film Composite (TFC) Hollow Fiber Nanofiltration Membranes Via a Facile and Scalable Coating Procedure, Desalination, 526, 115531, 2022.
52. Yadav D., Karki S., Ingole P.G., Current Advances and Opportunities in the Development of Nanofiltration (NF) Membranes in the Area of Wastewater Treatment, Water Desalination, Biotechnological and Pharmaceutical Applications, Journal of Environmental Chemical Engineering, 10, 108109, 2022.
53. Karki S., Ingole P.G., Development of Polymer-Based New High Performance Thin Film Nanocomposite Nanofiltration Membranes by Vapor Phase Interfacial Polymerization for the Removal of Heavy Metal Ions, Chemical Engineering Journal, 446, 137303, 2022.
54. Zhang X., Jin P., Xu D., Zheng J., Zhan Z.M., Gao Q., Yuan S., Xu Z.L., Bruggen B.V.D., Triethanolamine Modification Produces Ultra-Permeable Nanofiltration Membrane with Enhanced Removal Efficiency of Heavy Metal Ions, Journal of Membrane Science, 644, 120127, 2022.
55. Han S., Li W., Xi H., Yuan R., Long J., Xu C., Plasma-Assisted In-Situ Preparation of Graphene-Ag Nanofiltration Membranes for Efficient Removal of Heavy Metal Ions, Journal of Hazardous Materials, 423, 127012, 2022.
56. Yang Y., Wang S., Zhang J., He B., Li J., Qin S., Yang J., Zhang J., Cui Z., Fabrication of Hollow Fiber Nanofiltration Separation Layer with Highly Positively Charged Surface for Heavy Metal Ion Removal, Journal of Membrane Science, 120534, 2022.
57. Kocanova V., Cuhorka J., Dusek L., Mikulasek P., Application of Nanofiltration for Removal of Zinc from Industrial Wastewater, Desalination and Water Treatment, 75, 342–347, 2017.
58. Yang W., Wang Y., Wang Q., Wu J., Duan G., Xu W., Jian S., Magnetically Separable and Recyclable Fe3O4@PDA Covalent Grafted By L-Cysteine Core-Shell Nanoparticles Toward Efficient Removal of Pb2+. Vacuum, 189, 110229, 2021.
59. Mukherjee R., Mondal M., Sinha A., Sarkar S., De S., Application of Nanofiltration Membrane for Treatment of Chloride Rich Steel Plant Effluent, Journal of Environmental Chemical Engineering, 4, 1–9, 2016.
Recent Advances in Membranes Used for Nanofiltration to Remove Heavy Metals from Wastewater: A Review
Farzad Mehrjo1*, Amir Alam1, MohammadSaber Baghkhanipour1
1. Tehran, University of Science and Technology, Research and Technology Centre of Science and Development
Email address for correspondence author: Elmotosee@iust.ac.ir
Abstract:
The presence of heavy metal ions in polluted wastewater represents a serious threat to human health, making proper disposal extremely important. The utilization of nanofiltration (NF) membranes has emerged as one of the most effective methods of heavy metal ion removal from wastewater due to their efficient operation, adaptable design, and affordability. NF membranes created from advanced materials are becoming increasingly popular due to their ability to depollute wastewater in a variety of circumstances. Tailoring the NF membrane’s properties to efficiently remove heavy metal ions from wastewater, interfacial polymerization, and grafting techniques, along with the addition of nano-fillers, have proven to be the most effective modification methods. This paper presents a review of the modification processes and NF membrane performances for the removal of heavy metals from wastewater, as well as the application of these membranes for heavy metal ion wastewater treatment. Very high treatment efficiencies, such as 99.90%, have been achieved using membranes composed of polyvinyl amine (PVAM) and glutaraldehyde (GA) for Cr3+ removal from wastewater. However, nanofiltration membranes have certain drawbacks, such as fouling of the NF membrane. Repeated cleaning of the membrane influences its lifetime.
Keywords: Membranes, Nanofiltration, Heavy metal, Removal, Wastewater
مروری بر پیشرفت‌های اخیر غشاهای مورد استفاده برای نانوصافش (NF) در حذف فلزات سنگین از پساب
فرزاد مهرجو1*، امیر علم1، محمدصابر باغخانیپور1
1 تهران، دانشگاه علم و صنعت، مرکز پژوهش و فناوری علم و توسعه
چکیده
وجود یونهای فلزات سنگین در پسابهای آلوده تهدیدی جدی برای سلامت انسان میباشد بوده و دفع صحیح آنها از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از غشاهای نانوصافش (Nanofiltration) بهدلیل عملکرد کارآمد، طراحی سازگار و مقرون بهصرفه بودن، بهعنوان یکی از مؤثرترین روشهای حذف یون فلزات سنگین از پساب مطرح شده است. غشاهای نانوصافش (NF) ایجادشده از مواد پیشرفته بهدلیل توانایی آنها در آلودگی پساب در شرایط مختلف بهطور فزایندهای محبوب شدهاند. ثابت شده است که ویژگیهای غشایء نانوصافش (NF) برای حذف کارآمد یونهای فلزات سنگین از پساب، روشهای پلیمرشدن سطحی و پیوند، همراه با افزودن پرکننده‌های نانو، مؤثرترین روشهای اصلاح هستند. این پژوهش مروری بر فرآیندهای فرایندهای اصلاح و عملکرد غشای نانوصافش (NF) برای حذف فلزات سنگین از پساب و همچنین بررسی کاربرد این غشاها برای تصفیه پساب یون فلزات سنگین بررسی شده است. راندمان تصفیه بسیار بالا، مانند %90/99%، با استفاده از غشاهای متشکل از پلیوینیل آمین (Polyvinyl Amine) و گلوتارآلدئید (Glutaraldehyde) برای حذف کروم سه ظرفیتی از پساب بهدست آمده است. با این حال، غشاهای نانوصافش (NF) دارای معایب خاصی از جمله رسوب غشاء هستند که تمیز کردن مکرر غشاء بر طول عمر آن تأثیر میگذارد.
کلید واژه: غشاء، نانوصافش، فلزات سنگین، حذف، پساب
1 مقدمه
منابع آب سطحی و زیرزمینی به دلیل یونهای فلزات سنگین موجود در تخلیه‌های صنایع مختلف در معرض تخریب و آلودگی قرار دارند. اثرات مضر یونهای فلزات سنگین بر سلامت انسان مستلزم حذف کامل آنها از پسابهای مختلف با استفاده از فناوریهای پیشرفته تصفیه است [1]. فرآیندفرایندهای تولید کالاهای مختلف مانند رنگ، باتری خودرو، رنگدانهها و کودها عمدتاً منجر به آلودگی منابع آب میشوند [2]. قرار گرفتن بیش از حد در معرض یون-های فلزات سنگین میتواند باعث ایجاد بیماریهای شدید در انسان و حیوانات شود [32]. جدول 1 برخی از فلزات سنگین موجود در پساب، اثرات آنها بر سلامت انسان [4]، و غلظت مجاز آنها در پساب طبق NTPA 001/2002 [53] را نشان میدهد. روشهای مرسوم برای تصفیه پساب آلوده به یونهای فلزات سنگین شامل تصفیه الکتروشیمیایی، شناورسازی، تبادل یونی و رسوب شیمیایی است [8-64]. هر روش محدودیتهای خاص خود را دارد،؛ از جمله میتوان به تشکیل مقدار زیادی لجن در رویکرد رسوب شیمیایی [9،105]، راندمان تصفیه پایین، هزینه رزین بالا و مشکلات در بازسازی رزین مصرف شده در فرآیندفرایند تبادل یونی را اشاره کرد [11،126]. در حال حاضر، فناوری مبتنی بر غشاء بهعنوان یک روشی مؤثر و مقیاسپذیر برای حذف یونهای فلزات سنگین موجود در پساب در نظر گرفته شده است [13]. استفاده متداولترین مواد غشایی مورداستفاده، مواد پلیمری، سرامیکی و ترکیبی هستند [14]. اما استفاده از غشاهای پلیمری به دلیل سهولت کار، نرخ گزینشپذیری عالی و اصلاح سطح، انتخاب ارجح است [157]. ریزصافش (Microfiltration)، نانوصافش (NF)، اولتراصافش (Ultrafiltration) و اسمز معکوس (Reverse Osmosis) چهار طبقهبندی از غشاها هستند که برای فناوریهای مبتنی بر غشاءغشا استفاده میشوند [168]. با این حال، اسمز معکوس (RO) و نانوصافش (NF) به مناسبترین فناوریها برای تصفیه آب و نمکزدایی تبدیل شدهاند [19-17].
جدول 1 اندامها و سیستمسامانههای اصلی انسان تحت تأثیر یونهای فلزات سنگین موجود در پساب و مقادیر مجاز طبق NTPA 001/2002 [53].
ردیف | فلزات سنگین | تأثیرات بر اندامها و | غلظت مجاز (mg/dm3) |
1 | جیوه (Hg2+) |
| 05/0 |
2 | کروم (Cr3+، Cr6+) | دستگاه گوارش و تناسلی، چشایی، مغز، پانکراس، کلیهها، کبد، پوست و ریهها | 1/0 |
3 | کادمیم (Cd2+) |
| 2/0 |
4 | روی (Zn2+) | پوست و معده | 5/0 |
5 | آرسنیک (As+) |
| 1/0 |
6 | نیکل (Ni2+) | دستگاه گوارش، پوست، کلیهها و ریهها | 5/0 |
7 | مس (Cu2+) |
| 1/0 |
8 | منگنز (Mn2+) | دستگاه تنفسی و مغز | 1 |
9 | سرب (Pb2+) |
| 2/0 |
نانوصافش (NF) یک روش جداسازی مبتنی بر غشاءغشا است که از فشار هیدرواستاتیکی برای انتقال مولکول‌ها در میان غشاهای نیمه‌تراوا استفاده میکند (شکل 1). این روش به املاح و حلالهایی با وزن مولکولی کم اجازه میدهد تا در غشاءغشا حرکت کنند، در حالی که مولکولهای بزرگتر به دام افتادهاند. غشاهای نانوصافش (NF) دارای آستانه وزن مولکولی در حدود 400 تا 500 دالتون، قطر منافذ بین 5/0 تا 2 نانومتر و نیاز به فشار کاری در محدوده 10 تا 50 بار دارند. آنها ظرفیت نگه‌داری گونههای خنثی با وزن مولکولی بین 200 تا 300 گرم بر مول را دارند و یونهای معدنی را از طریق ترکیبی از برهم‌کنشهای الکترواستاتیکی بین غشای باردار و یونها دفع میکنند [20،219]. نانوصافش (NF) چندین مزیت را نسبت به سایر فناوریهای غشایی از جمله دفع قوی‌تر یونهای شار و دو ظرفیتی بالاتر، کاهش مصرف انرژی و فشار کاری پایین‌تر را فراهم میکند. این امر آن را به یک فناوری امیدوارکننده‌ای برای حذف روغن و گریس، ذرات معلق، فلزات سنگین، رنگ‌ها و سایر مواد شیمیایی از پسابهای صنعتی و آب آشامیدنی تبدیل کرده است [22،1023]. غشاهای نانوصافش (NF) را میتوان با اصلاح ترکیب، ریختشناسی و ساختار آنها برای افزایش نفوذپذیری و، گزینشپذیری و پایداری شیمیایی و مکانیکی آنها بهبود بخشید. غشاهای کامپوزیت فیلم نازک (Thin Film Composite) بهدلیل سرعت حذف فلزات سنگین، نفوذپذیری آب بالا و پایداری مکانیکی و شیمیایی قوی بهصورت تجاری مورداستفاده قرار میگیرند [26-2411].
شکل 1 اساس روش حذف آلایندهها از پساب با استفاده از غشای نانوصافش (NF).
نمکزدایی غشایی یک روشی بسیار کارآمد برای تصفیه آب شور و پساب میباشد بوده و اخیراً مورد توجه قرار گرفته است. چالش کلیدی در پژوهشهای غشاءغشا، ساخت غشاهای بسیار نفوذپذیر و پایدار با گزینشپذیری عالی، خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب و خواص ضدرسوب است [1229-27]. برای دستیابی به این هدف، فناوری نانو بهعنوان یک رویکردی امیدوارکننده برای توسعه غشاهای جدید برای کاربردهای صنعتی ظاهر شده است. سنتز نانوذرات با جذب قوی آلایندهها، سازگاری بالا با ماتریس غشایی و سطح ویژه بالا از مهمترین موارد است . علاوهبر این، اندازه ذرات، یک عاملی حیاتی است که بر عملکرد انتقال جرم و جداسازی غشاءغشا و همچنین امکان استفاده مجدد از آنها تأثیر میگذارد [33-3013].
اگرچه نانومواد، به‌ویژه پرکننده‌های معدنی، می‌توانند مسیرهای نفوذ عالی را برای مکان‌های فعال برای جذب آلاینده فراهم کنند، نقص‌های ناخواسته بین ماتریس پلیمری و پرکننده‌ها، پراکندگی ضعیف نانومواد در سطح غشاءغشا یا در ساختار غشاءغشا و تراکم نانومواد میتواند جداسازی انتخابی آلایندهها را تا حد زیادی کاهش دهد [3014]. این پژوهش بر روی غشاهای نانوصافش (NF) و استفاده از آنها برای حذف فلزات سنگین از پساب تمرکز دارد. با این حال، بسیاری از غشاها برای حذف رنگ‌ها [34،35،1536]، فلورایدفلورید [37،38،3916] و غیره سنتز و مطالعه شدهاند. چند نمونه در بخشهای بعدی و جدول 2 آورده شده است.
جدول 2 غشاهای سنتز شده و مورداستفاده برای حذف آلاینده های مختلف.
ردیف |
| آلاینده | کارائی تصفیه (%) |
1 | کامپوزیت چوب@ZIF-67 | رنگ قرمز کنگو | 28/99 |
2 | غشای درشتمتخلخل مبتنی بر MOF | اورانیوم | 60/80 |
3 | اکسید سه |
| 33/99 |
مواد چارچوب فلزی آلی (Metal-Organic Framework Materials) که دارای سطح ویژه فوق العاده بالایی هستند برای تخریب رنگ قرمز کنگو از پساب مورد مطالعه قرار گرفته شدند. محققان کامپوزیتهای چوب@ZIF-67 را با رشد ZIF-67 بر روی سطوح چوب توسعه دادند. علاوهبر این، کامپوزیتهای مغناطیسی آب‌دوست WC-Co با کربنسازی چوب@ZIF-67 سنتز شدند. آنها این کامپوزیتهای WC-Co بهطور مؤثری محل‌های فعال نانوذرات Co/C (هسته-پوسته مغناطیسی) را با ساختار متخلخل سلسله مراتبی چوب کربنی کردن ترکیب شدندکردند. در غلظت رنگ 1200 میلیگرم بر لیتر، راندمان بازده حذف قابلتوجه 98/99 درصد تحت گرانش را نشان داد. هنگامی که به یک پمپ پریستالتیک با شار 104 × 1 L m-2h-1 برای محلول قرمز کنگو (100 میلیگرم بر لیتر) متصل میشود، صافش، راندمان بازده حذف چشمگیر نزدیک به 28/99 درصد را نشان داد. علاوهبر این، صافش قابلیت استفاده مجدد بالایی را ارائه داد. رنگهای جذب شده را میتوان بهراحتی از طریق سوزاندن ساده از بین برد [3415]. محققان یک غشای درشتمتخلخل جدیدی را بر اساس چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) برای استخراج اورانیوم بسیار کارآمد از آب دریا از طریق صافش مداوم بررسی کرده‌اند. برای رسیدن به این هدف، UiO-66 با پلی (آمیدوکسیم) (Poly (Amidoxime)) اصلاح شد تا پراکندگی آن در محلولی حاوی اکسید گرافن و الیاف پنبه در N,N-دیمتیل فرمامید (N,N-dimethylformamide) افزایش یابد. غشای درشتمتخلخل مبتنی بر MOF، که آبدوستی فوقالعادهای از خود نشان داد، بهراحتی با صافش مکش ساده ساخته شد. این غشاءغشا ظرفیت استخراج اورانیوم 579 میلیگرم بر گرم را در آب دریا شبیهسازی شده حاوی 32 ppm U پس از تنها 24 ساعت نشان داد. قابل ذکر است که 100 میلیگرم غشاءغشا UiO-66@PAO بهطور مؤثر 60/80 درصد از یونهای اورانیل را از آب دریا حذف کرد [4017]. نانوالیاف الکتروریسی شده مغناطیسی متشکل از اکسید سهفلزی La-Mn-Fe (LMF NFs) برای حذف فلوراید سنتز شدند. نانوصافش (NF) اکسید سهفلزی از طریق الکتروریسی و سپس عملیات حرارتی تهیه شدند. قابل ذکر است که نانوالیاف توزیع یکنواختی از نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 را در امتداد محور خود نشان می‌دهند که بهطور مؤثر از تجمع آنها جلوگیری میکند. ماهیت مغناطیسی نانوصافش (NF) اکسید سهفلزی فیبری جداسازی آسان آنها از محلول را با اعمال یک آهنربای خارجی پس از جذب فلورایدفلورید را تسهیل میکند. بالاترین راندمان بازده برای اصلاح فلورایدفلورید 33/99 درصد بود [3916]. علاوهبر این، غشاهای نانوصافش (NF) و روشهای مشخصه و ویژگیهای غشاهای نانوصافش (NF) شرح داده شده است. در نهایت، این مطالعه کاربردهای غشاهای نانوصافش (NF) برای تصفیه پساب حاوی یونهای فلزات سنگین را ارائه میکند. اطلاعات مربوط به غشاهای نانوصافش (NF) در این پژوهش در شکل 2 ارائه شده است.