भारी धातु हटाने के लिए नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली कितनी शक्तिशाली हैं?

भारी धातु दूषित जल उपचार पर्यावरण क्षेत्र में एक गर्म विषय है। एक हालिया समीक्षा में भारी धातु आयनों को हटाने में नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली की अनुसंधान प्रगति को व्यवस्थित रूप से सारांशित किया गया है, जिससे पता चलता है कि सामग्री नवाचार और प्रक्रिया अनुकूलन के माध्यम से, नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली जल प्रवाह को 3 गुना से अधिक बढ़ाया जा सकता है, और Cu²⁺, Pb²⁺, और Cd²⁺ जैसे विभिन्न भारी धातु आयनों को हटाने की दर 99% से अधिक तक पहुंच सकती है, जो जल उपचार के लिए एक कुशल और टिकाऊ समाधान प्रदान करती है।

वैश्विक मीठे पानी की कमी का संकट 1.8 अरब से अधिक लोगों के जीवन को खतरे में डालता है। इस दुर्दशा के दो मुख्य कारण हैं: पहला, समुद्री जल वैश्विक जल संसाधनों का विशाल बहुमत है, जबकि उपयोग योग्य मीठे पानी की मात्रा सीमित है; दूसरा, अपशिष्ट जल के निर्वहन से गंभीर मीठे पानी का प्रदूषण बढ़ रहा है। हालाँकि समुद्री जल अलवणीकरण तकनीक ने हाल के वर्षों में महत्वपूर्ण प्रगति की है, अपशिष्ट जल में अत्यधिक भारी धातु आयन (जैसे Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, आदि) अलवणीकृत जल को दूषित कर सकते हैं, और यहां तक ​​कि मानव शरीर में उनके संचय और विषाक्तता के कारण मृत्यु का कारण भी बन सकते हैं।

इसलिए, प्रदूषित पानी से विषाक्त भारी धातुओं की थोड़ी मात्रा को कुशलतापूर्वक हटाने के लिए प्रौद्योगिकियों का विकास करना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि इससे एक साथ दो लक्ष्य प्राप्त किए जा सकते हैं: अधिक ताजा पानी प्राप्त करना और मूल्यवान संसाधनों को पुनर्प्राप्त करना।

नैनोफिल्ट्रेशन झिल्लियों के छिद्रों का आकार 0.5{3}}2 एनएम के बीच होता है, जो अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्लियों (10{4}}100 एनएम, उच्च प्रवाह लेकिन कम अस्वीकृति) और रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्लियों (उच्च अस्वीकृति लेकिन कम प्रवाह, उच्च ऊर्जा खपत) के बीच होता है। नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली नैनोपोर्स के माध्यम से पानी के अणुओं के लिए परिवहन चैनल प्रदान करते हुए भारी धातु आयनों को प्रभावी ढंग से बनाए रख सकती है, जिससे वे भारी धातु-दूषित अपशिष्ट जल के उपचार के लिए एक अत्याधुनिक तकनीक बन जाते हैं।

पृथक्करण तंत्र:

आकार स्क्रीनिंग: बरकरार रखी गई और व्याप्त सामग्रियों के बीच त्रिज्या में अंतर के आधार पर। नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली छिद्र का आकार पानी के अणुओं के व्यास (0.4 एनएम) से बड़ा होता है, लेकिन हाइड्रेटेड भारी धातु आयनों के व्यास के बराबर होता है, जो छिद्र के आकार को समायोजित करके प्रभावी पृथक्करण की अनुमति देता है।

डोनान प्रतिकर्षण: आयनों और आवेशित झिल्ली सतह के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण पर आधारित। भारी धातु आयन आमतौर पर सकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं, इसलिए सकारात्मक रूप से चार्ज की गई झिल्ली सतह प्रदूषक आयनों को बनाए रखने के लिए अधिक अनुकूल होती है।

इसके अलावा, फ़ीड समाधान का पीएच झिल्ली के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है: एक ओर, यह सतह चार्ज और पॉलिमर नेटवर्क के क्रॉस लिंकिंग की डिग्री को बदल देता है, इस प्रकार अस्वीकृति दर और पारगम्यता को प्रभावित करता है; दूसरी ओर, यह धातु आयनों की स्थिति को प्रभावित करता है।

जैविक झिल्ली

कार्बनिक झिल्लियाँ आमतौर पर पॉलिमर सामग्री का उपयोग करके तैयार की जाती हैं, जैसे कि पॉलीसल्फोन, सेल्युलोज एसीटेट, पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड, पॉलीइथर्सल्फोन, पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन, पॉलीइथाइलीन, पॉली कार्बोनेट और पॉलीमाइड। इनमें से, पॉलियामाइड नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली तैयार करने में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्री है, जो समुद्री जल अलवणीकरण में उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदर्शित करती है।

अकार्बनिक झिल्ली

अकार्बनिक झिल्लियों में उत्कृष्ट रासायनिक और तापीय स्थिरता होती है और वे एक समान छिद्र संरचना बना सकती हैं। अकार्बनिक झिल्लियों को तैयार करने में सिरेमिक सामग्री, कांच, धातु, जिओलाइट्स, सिलिका, पैलेडियम मिश्र धातु और द्वि-आयामी सामग्री का उपयोग किया गया है। सिरेमिक झिल्ली धातु ऑक्साइड और उनके डेरिवेटिव, जैसे TiO₂, SiO₂, ZrO₂, और Al₂O₃ से बनाई जाती है।

हाइब्रिड मैट्रिक्स झिल्ली
हाइब्रिड मैट्रिक्स झिल्ली नैनोफिलर एडिटिव्स की उत्कृष्ट पारगम्यता के साथ पॉलिमर की समाधान प्रक्रियाशीलता को जोड़ती है, जिसका लक्ष्य एक साथ पारगम्यता और चयनात्मकता में सुधार करना है। आम तौर पर उपयोग किए जाने वाले एडिटिव्स में शामिल हैं:

• MOFs: जब MOF NH₂-MIL-125(Ti) को 0.010 wt% पर शामिल किया जाता है, तो पानी की पारगम्यता 12.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ तक पहुंच जाती है, और Ni²⁺ अस्वीकृति दर 90.9% है।
• सीओएफ: हाइड्रोफिलिक ट्राइजीन -सीओएफ को शामिल करने के बाद, पानी का प्रवाह 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ तक पहुंच जाता है, और Zn²⁺ और Pb²⁺ अस्वीकृति दर क्रमशः 93.8% और 92.4% है।
• जीओ (द्वि-आयामी सामग्री): जीओ में चिटोसन को शामिल करने के बाद, जल प्रवाह 55 एल·एम⁻²·एच⁻¹ तक पहुंच जाता है, और एमएन²⁺ अस्वीकृति दर 85% है।
• ZnO नैनोकण: झिल्ली हाइड्रोफिलिसिटी में सुधार करते हैं, सतह की खुरदरापन को कम करते हैं, और एंटीफ्लिंग गुणों को बढ़ाते हैं।

चरण उलटा विधि

यह विधि, पहली बार 1960 में लोएब और सोराजन द्वारा झिल्ली प्रौद्योगिकी में पेश की गई, चयनात्मक और समर्थन परतों के एक चरण निर्माण की अनुमति देती है। झिल्ली सूक्ष्म संरचना को बहुलक सांद्रता, विलायक और जमावट स्नान प्रकार, योजक और पर्यावरणीय स्थितियों को समायोजित करके नियंत्रित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए:

• सीजीओ -डोपित पीपीएसयू झिल्ली: पानी की पारगम्यता 2.1 से बढ़कर 3.5 एल·एम⁻²·एच⁻¹ हो गई, एच₂एएसओ₄, एचसीआरओ₄⁻, सीडी²⁺, पीबी²⁺, और के लिए 99%, 98%, 82%, 82% और 87% की अस्वीकृति दर के साथ Zn²⁺, क्रमशः।
• सीएस-ईडीटीए-एमजीओ/पीईएस झिल्ली (चुंबकीय क्षेत्र सहायता प्राप्त): जल प्रवाह 84.2 तक पहुंच गया। L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ अस्वीकृति दर 98.2%, Cd²⁺ अस्वीकृति दर 93.6%
• B-Cur नैनोकण/PES झिल्ली: Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, और Ni²⁺ के लिए अस्वीकृति दर 99% से अधिक

इंटरफेशियल पोलीमराइजेशन विधि

इंटरफेशियल पोलीमराइजेशन सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली तैयारी तकनीकों में से एक है। इसमें सब्सट्रेट झिल्ली को अमाइन मोनोमर्स युक्त एक जलीय घोल में डुबोना शामिल है, इसके बाद एसाइल क्लोराइड मोनोमर्स युक्त कार्बनिक समाधान के साथ संपर्क करके, इंटरफ़ेस पर एक अल्ट्राथिन पॉलियामाइड परत बनाई जाती है। आम तौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले मोनोमर्स पाइपरेज़िन और ट्राइमेसोयल क्लोराइड हैं।

• COF नैनोकण -डोपित पॉलियामाइड झिल्ली: पानी की पारगम्यता 67% (10.8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ तक) बढ़ गई, Cu²⁺, Mn²⁺, और Pb²⁺ अस्वीकृति दर क्रमशः 98.3%, 98.4%, और 91.9% के साथ।
• इंटरफेशियल पोलीमराइजेशन में बीएचडीए कोमोनोमर की भागीदारी: पानी का प्रवाह 2.4 गुना (12.9 L·m⁻²·h⁻¹ तक) बढ़ गया, Cu²⁺, Zn²⁺, और Pb²⁺ अस्वीकृति दर क्रमशः 96.5%, 96.2% और 88.4% के साथ।
• कम -तापमान इंटरफेशियल पोलीमराइजेशन (-15 डिग्री): झिल्ली की मोटाई कम हो गई, और पानी का प्रवाह 19.2 तक पहुंच गया। L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Mn²⁺, Cd²⁺, और Cu²⁺ के लिए अवधारण दरें क्रमशः 97.9%, 87.7%, और 93.9% थीं।

डुबाने की विधि

डिप{0}कोटिंग विधि संचालित करने में सरल, किफायती, कुशल, अपशिष्ट मुक्त, {{2}और ऊर्जा कुशल है। सब्सट्रेट को सक्रिय सामग्री समाधान में डुबोया जाता है और कुछ समय तक खड़े रहने दिया जाता है, फिर स्थिर गति से ऊपर खींचा जाता है, जिससे विलायक वाष्पित हो जाता है और एक फिल्म बन जाती है।

• धनात्मक रूप से आवेशित क्रॉस -लिंक्ड PEI झिल्ली (सिरेमिक सब्सट्रेट): पानी का प्रवाह 32 से बढ़कर 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ हो गया, Cu²⁺ के लिए 99.8%, As⁵⁺ के लिए 96.8%, और Cr⁶⁺ के लिए 97.2% की अस्वीकृति दर के साथ।
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, और Ni²⁺ के लिए 95%।
• PEI/Cu²⁺ pre-जटिल झिल्ली: जल प्रवाह 8.1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Zn²⁺, Ni²⁺, और Cd²⁺ के लिए अवधारण दरें क्रमशः 91.8%, 83.2%, और 75.6% थीं।

सतही संशोधन/कार्यात्मकीकरण

सतह संशोधन नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली सतह पर अल्ट्राथिन परतों का निर्माण कर सकता है, साथ ही चयनात्मकता और पारगम्यता में सुधार कर सकता है।

• 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 >Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, और Cu²⁺ के लिए 97%, और Pb²⁺ के लिए अस्वीकृति दर 92% है।
• CNFs-co-Cs संशोधित PES झिल्ली: जल प्रवाह 4.25 से बढ़कर 13.58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ हो गया
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, और Ni²⁺ के लिए 95%।

नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली प्रौद्योगिकी ने भारी धातु आयन हटाने के क्षेत्र में महत्वपूर्ण प्रगति की है। झिल्ली सामग्री और तैयारी प्रक्रियाओं का तर्कसंगत रूप से चयन करके, नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली की सूक्ष्म संरचना को नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे पानी के प्रवाह और भारी धातु आयन अस्वीकृति दर में काफी सुधार होता है।

भविष्य के विकास की दिशाएँ:

• आयन चयनात्मकता: वास्तविक {{0}विश्व प्रदूषित पानी में, कई धातु आयन सह-अस्तित्व में होते हैं। जल शुद्धिकरण और धातु पुनर्प्राप्ति के दोहरे लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए विशिष्ट धातु आयनों को चुनिंदा रूप से बनाए रखने में सक्षम नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली विकसित करना आवश्यक है।
• झिल्ली स्थिरता: वर्तमान शोध में छोटे परीक्षण चक्र हैं, और अधिकांश झिल्ली का प्रदर्शन समय के साथ खराब हो जाता है। झिल्ली स्थिरता में सुधार के लिए आगे क्रॉसलिंकिंग या स्थिर अकार्बनिक नैनोकणों की शुरूआत की आवश्यकता है।
• एंटीफाउलिंग प्रदर्शन: मेम्ब्रेन फाउलिंग मेम्ब्रेन प्रौद्योगिकी में एक आम चुनौती है। प्रदूषक सोखना को कम करने या रोकने के लिए सतह इंजीनियरिंग (जैसे पानी की परतें बनाने के लिए सकारात्मक रूप से चार्ज सतहों का निर्माण) की आवश्यकता होती है।
• ऑपरेटिंग मोड: अधिकांश अध्ययन झिल्ली के भीतर धातु आयन सोखने के मुद्दे की उपेक्षा करते हुए, मृत अंत निस्पंदन का उपयोग करते हैं। औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए क्रॉस-फ्लो ऑपरेशन मोड की आवश्यकता होती है, और इस मोड के तहत झिल्ली के दीर्घकालिक प्रदर्शन पर अधिक ध्यान दिया जाना चाहिए।