از آنجایی که نیازهای تصفیه فاضلاب صنعتی، تصفیه-آب آشامیدنی و بازیابی منابع همچنان افزایش مییابد، فناوریهای حذف فلزات سنگین مورد توجه فزایندهای قرار گرفتهاند. فلزات سنگین مانند سرب، کادمیوم، جیوه، نیکل، مس و کروم می توانند در مدت زمان طولانی در محیط انباشته شوند و خطرات قابل توجهی برای سلامت انسان و اکوسیستم ایجاد کنند. بنابراین، دستیابی به حذف کارآمد و کم انرژی{3} فلزات سنگین به یک محرک کلیدی در پیشرفت فناوری جداسازی غشا تبدیل شده است. در میان این فناوریها، غشاهای نانوفیلتراسیون (NF) به دلیل اندازه منافذ، ویژگیهای بار سطحی و فشار عملیاتی نسبتاً کم، برجسته شدهاند. اما آیا غشاهای نانوفیلتراسیون واقعاً فلزات سنگین را به طور موثر حذف می کنند؟ مکانیسم آنها چیست و چه مزایا و محدودیت هایی دارند؟ تجزیه و تحلیل زیر به این سؤالات از دیدگاه صنعت می پردازد.
غشاهای نانوفیلتراسیون معمولاً دارای اندازه منافذی بین 1 تا 2 نانومتر هستند که آنها را بین غشاهای اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس قرار می دهد. عملکرد جداسازی آنها نه تنها به الک فیزیکی، بلکه به برهمکنش های الکترواستاتیکی ناشی از سطح غشاء با بار منفی نیز بستگی دارد. از آنجایی که بیشتر فلزات سنگین در آب به صورت یون های باردار یا کمپلکس وجود دارند، نانوفیلتراسیون به طور طبیعی در حذف آنها برتری دارد. تحت تأثیر مکانیسم دفع{5} بار، یون های فلزی دو ظرفیتی و چند ظرفیتی به شدت رد می شوند و در نتیجه راندمان حذف بالایی دارند. دادههای صنعت نشان میدهد که غشاهای NF اغلب میتوانند به نرخ حذف بالاتر از 90 درصد برای یونهای دو ظرفیتی رایج مانند Pb2+، Cd2+ و Cu2+ دست یابند.
در کاربردهای عملی، نانوفیلتراسیون به طور گسترده در تصفیه آب معدن، بازیافت آبکاری آبکاری، به حداقل رساندن فاضلاب شیمیایی، و مدیریت شیرابه های دفن زباله حاوی فلزات سنگین مورد آزمایش قرار گرفته و به کار گرفته شده است. برای مثال، در تصفیه فاضلاب مخلوط مس-نیکل، غشاهای NF میتوانند غلظت فلزات سنگین-را کاهش دهند در حالی که همزمان فلزات ارزشمند را برای فرآیندهای بازیابی پاییندست متمرکز میکنند و نتایج زیستمحیطی و اقتصادی را بهبود میبخشند. در برنامههای{4}}آب آشامیدنی، نانوفیلتراسیون فلزات خطرناکی مانند سرب و کادمیوم را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهد و در عین حال برخی از مواد معدنی مفید را حفظ میکند و به شرکتها کمک میکند تا استانداردهای کیفیت آب را بهطور فزایندهای رعایت کنند.
با این حال، عملکرد{0}}حذف فلزات سنگین غشاهای NF تحت تأثیر عوامل متعددی قرار دارد. ویژگیهای آب خام نقش مهمی دارد. یونهای فلزات سنگین اغلب با مولکولهای آلی کمپلکسهایی تشکیل میدهند که حذف آنها از طریق دافعه الکترواستاتیک خالص را دشوارتر میکند. در فاضلاب با سطوح بالای عوامل کیلیت، پیش تصفیه-مانند اکسیداسیون برای شکستن کمپلکس ها، ریز{7}}انعقاد-جذب کربن فعال- ضروری است. علاوه بر این، pH به شدت بر گونهزایی فلزات و در نتیجه راندمان جداسازی تأثیر میگذارد. در شرایط اسیدی، برخی از فلزات در حالتهای یونی نفوذپذیرتر باقی میمانند، در حالی که در شرایط کمی قلیایی کاملاً یونیزه میشوند و راحتتر دفع میشوند. بنابراین تنظیم pH یک استراتژی مهندسی رایج برای افزایش عملکرد NF است.
در مقایسه با غشاهای اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون مزایای واضحی را در فشار کاری ارائه می دهد. بسیاری از غشاهای NF صنعتی تنها در 4-8 بار کار می کنند، در حالی که سیستم های RO معمولاً برای رسیدن به شار مشابه به فشار بسیار بالاتری نیاز دارند. این امر NF را برای تصفیه فاضلاب در مقیاس بزرگ اقتصادی تر می کند. در عین حال، NF به یونهای تک ظرفیتی (مانند Na+ و Cl-) اجازه عبور آزادانه میدهد، که در کاربردهایی که احتباس مواد معدنی مورد نظر است، مانند تصفیه آب آشامیدنی مفید است. با این حال، NF برای کاربردهایی که نیاز به نمکزدایی کامل یا خالصسازی عمیق دارند، کمتر مناسب است. بنابراین، انتخاب بین NF و سایر فناوریهای غشایی به انواع فلزات سنگین، غلظتها، اهداف تصفیه و نیازمندیهای بازیابی{10}منابع خاص بستگی دارد.
نانوفیلتراسیون همچنین با چالش هایی مانند رسوب غشاء، کاهش شار و پایداری عملیاتی مواجه است. فلزات سنگین اغلب با مواد آلی و جامدات معلق همزیستی می کنند و لایه های رسوبی پیچیده ای را روی سطوح غشا تشکیل می دهند و شار نفوذ را کاهش می دهند. به همین دلیل، فرآیندهای پیش تصفیه-فیلتراسیون شنی، کربن فعال، اولترافیلتراسیون یا دوز شیمیایی- اجزای ضروری در سیستمهای NF هستند. با پیشرفت در مواد غشایی، بسیاری از تولیدکنندگان غشاهای نانو فیلتراسیون ضد رسوب را با سطوح صاف تر، آب دوستی افزایش یافته یا لایه های محافظ معرفی کرده اند. این نوآوریها به کاهش سرعت رسوب، کاهش دفعات تمیز کردن و بهبود قابلیت اطمینان سیستم در درازمدت کمک میکنند.
به طور کلی، غشاهای نانوفیلتراسیون در واقع قادر به حذف موثر طیف وسیعی از فلزات سنگین هستند و پتانسیل کاربرد جامدی را در صنایع مختلف نشان دادهاند. ترکیب آنها از رد انتخابی، عملکرد کم انرژی-و مناسب بودن برای بازیابی منابع تضمین میکند که فناوری NF همچنان نقش مهمی را در سیستمهای{2} تصفیه آب آینده بازی میکند. همانطور که صنایع تاکید فزاینده ای بر بازیابی منابع و مدیریت ریسک زیست محیطی دارند، انتظار می رود کاربردهای نانوفیلتراسیون در تصفیه فلزات سنگین گسترش یابد، به ویژه با پیشرفت های بیشتر در سیستم های غشایی هوشمند، مواد با رسوب کم، و طراحی های غشایی با شار بالا.
