중금속 제거를 위한 나노여과막은 얼마나 강력합니까?

중금속 오염수 처리는 환경분야의 화두입니다. 최근 검토에서는 중금속 이온 제거에 대한 나노여과막의 연구 진행 상황을 체계적으로 요약하여 재료 혁신과 공정 최적화를 통해 나노여과막 물 흐름을 3배 이상 증가시킬 수 있고 Cu²⁺, Pb²⁺ 및 Cd²⁺와 같은 다양한 중금속 이온의 제거율이 99% 이상에 도달할 수 있어 효율적이고 지속 가능한 수처리 솔루션을 제공할 수 있음을 보여줍니다.

전 세계적으로 담수 부족 위기가 18억 명 이상의 생명을 위협하고 있습니다. 이러한 곤경에 처한 데에는 두 가지 주요 이유가 있습니다. 첫째, 바닷물이 전 세계 수자원의 대부분을 차지하는 반면, 사용 가능한 담수의 양은 제한되어 있습니다. 둘째, 폐수 배출로 인해 담수 오염이 점점 심각해지고 있습니다. 최근 해수담수화 기술이 눈부시게 발전했지만, 폐수 속에 과도한 중금속 이온(예: Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺ 등)이 담수화수를 오염시킬 수 있으며, 심지어 인체에 축적되어 독성으로 인해 사망에 이르게 할 수도 있습니다.

따라서 오염된 물에서 미량의 독성 중금속을 효율적으로 제거하는 기술 개발은 더 많은 담수 확보와 귀중한 자원 회수라는 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있기 때문에 특히 중요합니다.

나노여과막은 0.5-2nm 사이의 기공 크기를 가지며 한외여과막(10-100nm, 높은 유속, 낮은 거부율)과 역삼투막(높은 거부율, 낮은 유속, 높은 에너지 소비) 사이에 속합니다. 나노여과막은 중금속 이온을 효과적으로 보유하는 동시에 나노기공을 통해 물 분자의 이동 채널을 제공함으로써 중금속으로 오염된 폐수를 처리하는 최첨단 기술입니다.

분리 메커니즘:

크기 스크리닝: 보유된 물질과 투과된 물질 사이의 반경 차이를 기준으로 합니다. 나노여과막의 기공 크기는 물 분자의 직경(0.4nm)보다 크지만 수화된 중금속 이온의 직경과 비슷해 기공 크기를 조절해 효과적인 분리가 가능합니다.

Donnan 반발력: 이온과 하전된 막 표면 사이의 정전기적 반발력을 기반으로 합니다. 중금속 이온은 일반적으로 양전하를 띠므로 양전하를 띤 막 표면이 오염 물질 이온을 유지하는 데 더 도움이 됩니다.

더욱이, 공급 용액의 pH는 막 성능에 큰 영향을 미칩니다. 한편으로는 표면 전하와 폴리머 네트워크의 교차 결합 정도를 변경하여 거부율과 투과성에 영향을 미칩니다. 반면에 금속 이온의 상태에 영향을 미칩니다.

유기막

유기막은 일반적으로 폴리술폰, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트 및 폴리이미드와 같은 고분자 재료를 사용하여 제조됩니다. 이 중 폴리아미드는 나노여과막 제조에 가장 널리 사용되는 소재로 해수 담수화에 탁월한 성능을 발휘한다.

무기막

무기막은 화학적, 열적 안정성이 뛰어나고 균일한 기공 구조를 형성할 수 있습니다. 세라믹 재료, 유리, 금속, 제올라이트, 실리카, 팔라듐 합금 및 2차원 재료가 무기막 제조에 사용되었습니다. 세라믹 멤브레인은 TiO2, SiO2, ZrO2 및 Al2O₃와 같은 금속 산화물과 그 파생물로 만들어집니다.

하이브리드 매트릭스 멤브레인
하이브리드 매트릭스 멤브레인은 고분자의 용액 가공성과 나노필러 첨가제의 우수한 투과성을 결합하여 투과성과 선택성을 동시에 향상시키는 것을 목표로 합니다. 일반적으로 사용되는 첨가제는 다음과 같습니다.

• MOFs: MOF NH²-MIL-125(Ti)를 0.010wt% 첨가하면 투수도는 12.2 L·m⁻²·h⁻1·bar⁻¹에 도달하고, Ni²⁺ 거부율은 90.9%입니다.
• COF: 친수성 트리아진-COF를 통합한 후 물 유속은 15 L·m⁻²·h⁻1·bar⁻1에 도달하고 Zn²⁺ 및 Pb²⁺ 거부율은 각각 93.8% 및 92.4%입니다.
• GO(2-차원 물질): 키토산을 GO에 첨가한 후 물 흐름은 55 L·m⁻²·h⁻¹에 도달하고 Mn²⁺ 거부율은 85%입니다.
• ZnO 나노입자: 멤브레인 친수성을 향상시키고, 표면 거칠기를 감소시키며, 오염 방지 특성을 향상시킵니다.

위상 반전 방법

1960년 Loeb와 Sourajan이 멤브레인 기술에 처음 도입한 이 방법을 사용하면 선택 레이어와 지지 레이어를 한 단계로 제작할 수 있습니다.- 막 미세구조는 폴리머 농도, 용매 및 응고욕 유형, 첨가제 및 환경 조건을 조정하여 제어할 수 있습니다. 예를 들어:

• cGO- 도핑된 PPSU 멤브레인: 투수성은 2.1에서 3.5 L·m⁻²·h⁻1로 증가했으며, H2AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ 및 Zn²⁺에 대한 거부율은 각각 99%, 98%, 82%, 82%, 87%였습니다.
• CS-EDTA-mGO/PES 멤브레인(자기장 보조): 물 유속이 84.2에 도달했습니다. L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ 거부율 98.2%, Cd²⁺ 거부율 93.6%
• B-Cur 나노입자/PES 멤브레인: Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ 및 Ni²⁺에 대한 거부율이 99%를 초과합니다.

계면중합법

계면 중합은 가장 널리 사용되는 나노여과막 제조 기술 중 하나입니다. 이는 아민 모노머가 포함된 수용액에 기판 막을 담근 후 아실 클로라이드 모노머가 포함된 유기 용액과 접촉하여 경계면에 초박형 폴리아미드 층을 형성하는 과정을 포함합니다. 일반적으로 사용되는 단량체는 피페라진과 트리메소일 클로라이드입니다.

• COF 나노입자- 도핑된 폴리아미드 멤브레인: 투수성은 67% 증가(10.8 L·m⁻²·h⁻1·bar⁻1)했으며, Cu²⁺, Mn²⁺ 및 Pb²⁺ 거부율은 각각 98.3%, 98.4%, 91.9%입니다.
• 계면 중합에 BHDA 공단량체 참여: 물 흐름은 2.4배(12.9L·m⁻²·h⁻1까지) 증가했으며, Cu²⁺, Zn²⁺ 및 Pb²⁺ 거부율은 각각 96.5%, 96.2% 및 88.4%였습니다.
• 저온-온도 계면 중합(-15도): 막 두께가 감소하고 물 유속이 19.2에 도달했습니다. L·m⁻²·h⁻1·bar⁻1, Mn²⁺, Cd²⁺ 및 Cu²⁺의 유지율은 각각 97.9%, 87.7% 및 93.9%였습니다.

딥-코팅 방식

딥{0}}코팅 방법은 작동이 간단하고 경제적이며 효율적이고 폐기물이-없으며 에너지-효율적입니다. 기판을 활물질 용액에 담그고 일정 시간 방치한 후 일정한 속도로 끌어 올려 용매가 증발하여 필름을 형성하게 합니다.

• 양전하 교차-결합 PEI 멤브레인(세라믹 기판): 물 유속은 32에서 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻1로 증가했으며, 거부율은 Cu²⁺의 경우 99.8%, As⁵⁺의 경우 96.8%, Cr⁶⁺의 경우 97.2%입니다.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ 및 Ni²⁺의 경우 95%.
• PEI/Cu²⁺ 사전-복합화 막: 물 유속 8.1 L·m⁻²·h⁻1·bar⁻1, Zn²⁺, Ni²⁺ 및 Cd²⁺의 유지율은 각각 91.8%, 83.2% 및 75.6%였습니다.

표면 개질/기능화

표면 개질은 나노여과막 표면에 초박형 층을 구축하여 선택성과 투과성을 동시에 향상시킬 수 있습니다.

• 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⁺ 및 Cu²⁺의 경우 97%, Pb²⁺의 경우 거부율은 92%입니다.
• CNFs-co-Cs 변형 PES 멤브레인: 물 유속이 4.25에서 13.58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹로 증가했습니다.
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ 및 Ni²⁺의 경우 95%.

나노여과막 기술은 중금속 이온 제거 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다. 막 재료와 제조 공정을 합리적으로 선택함으로써 나노여과 막의 미세구조를 제어할 수 있어 물 흐름과 중금속 이온 제거율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

향후 개발 방향:

• 이온 선택성: 실제-오염된 물에는 여러 금속 이온이 공존합니다. 수질 정화와 금속 회수라는 이중 목표를 달성하기 위해서는 특정 금속 이온을 선택적으로 보유할 수 있는 나노여과막 개발이 필요하다.
• 막 안정성: 현재 연구는 테스트 주기가 짧으며 대부분의 막 성능은 시간이 지남에 따라 저하됩니다. 막 안정성을 향상시키기 위해서는 추가적인 가교결합이나 안정적인 무기 나노입자의 도입이 필요합니다.
• 방오 성능: 멤브레인 오염은 멤브레인 기술에서 흔히 발생하는 문제입니다. 오염 물질 흡착을 완화하거나 방지하려면 표면 공학(예: 수층을 형성하기 위해 양으로 하전된 표면을 구성)이 필요합니다.
• 작동 모드: 대부분의 연구에서는 멤브레인 내 금속 이온 흡착 문제를 무시하고 막다른{0}}여과 방식을 사용합니다. 산업용 애플리케이션에는 교차 흐름 작동 모드가 필요하며, 이 모드에서 멤브레인의 장기적인 성능에 더 많은 주의를 기울여야 합니다.-