O efeito de blindagem permite a transferência rápida de íons através da membrana nanoporosa para alta energia

Natureza Água (2023)Cite este artigo

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Uma chave para a gestão sustentável de águas residuais salinas ricas em orgânicos é fracionar com precisão os componentes orgânicos e os sais inorgânicos (NaCl) como recursos individuais. Os processos convencionais de nanofiltração e eletrodiálise sofrem incrustações na membrana e comprometem a eficácia do fracionamento. Aqui desenvolvemos uma membrana nanoporosa composta de filme fino via codeposição de dopamina e polietilenoimina como uma membrana altamente condutora de ânions. Resultados experimentais e simulações de dinâmica molecular mostram que a codeposição de dopamina e polietilenoimina adapta efetivamente as propriedades da superfície da membrana, intensificando o efeito de proteção de carga e permitindo rápida transferência de ânions para eletrodiálise altamente eficiente. A membrana nanoporosa resultante exibe fracionamento eletrodialítico sem precedentes de produtos orgânicos e NaCl com incrustações de membrana insignificantes, superando dramaticamente as membranas de troca aniônica de última geração. Nosso estudo lança luz sobre o projeto fácil de membranas condutoras de ânions de alto desempenho e novos mecanismos de transporte de massa associados na separação eletrodialítica, abrindo caminho para o gerenciamento sustentável de fluxos de resíduos complexos.

Para promover emissões líquidas zero de carbono para uma economia circular, os actuais processos de tratamento de águas residuais necessitam urgentemente de uma mudança de paradigma da remoção convencional de contaminantes para a recuperação de recursos, por exemplo, energia, nutrientes, biomassa e outros subprodutos de elevado valor acrescentado que vão além da água recuperação por osmose reversa1,2,3,4,5. Um grande desafio no tratamento de águas residuais é a gestão de fluxos de resíduos salinos ricos em orgânicos produzidos numa ampla gama de setores industriais, tais como processamento têxtil, curtumes, processamento de alimentos, indústria de petróleo e gás, fábricas de papel e fabricação farmacêutica6,7,8 ,9. Portanto, é importante fracionar eficazmente os sais orgânicos e inorgânicos (por exemplo, NaCl) utilizando tecnologia de separação inovadora e avançada para recuperar de forma sustentável recursos preciosos destes fluxos de resíduos salinos ricos em orgânicos10.

As tecnologias de separação baseadas em membranas oferecem oportunidades para gerir eficazmente estes fluxos de resíduos salinos ricos em matéria orgânica. Por exemplo, a nanofiltração está entre as tecnologias de membrana acionadas por pressão mais amplamente utilizadas para peneirar produtos orgânicos com pesos moleculares (MWs) de 200–1.000 Da e sais inorgânicos de fluxos de resíduos salinos ricos em orgânicos com base nos efeitos sinérgicos de exclusão de tamanho e eletrostática. repulsão utilizando membranas nanoporosas de compósito de película fina (TFC), que retêm os orgânicos, mas permitem parcialmente a transmissão de sais inorgânicos11,12,13,14,15,16. No entanto, a pressão osmótica elevada, a incrustação da membrana e a polarização da concentração aumentada pelo bolo experimentada no processo de nanofiltração acionado por pressão induzem um declínio prejudicial do fluxo da membrana, minimizando assim a eficiência de separação dos sais orgânicos e inorgânicos . Além disso, o procedimento de nanofiltração-diafiltração sob pressão deve ser implementado com alto consumo de água pura para alcançar o fracionamento de sais orgânicos e inorgânicos, que inevitavelmente sofre uma perda considerável dos orgânicos alvo e, assim, reduz a produtividade do sistema .

Como uma abordagem alternativa à nanofiltração, a eletrodiálise é proposta como uma rota para dessalinizar as águas residuais salinas ricas em orgânicos, o que permite que cátions e ânions sejam transferidos através de membranas de troca catiônica (CEMs) e membranas de troca aniônica (AEMs) sob um campo elétrico de corrente contínua21 ,22,23. No entanto, a maioria dos compostos orgânicos com cargas negativas nas águas residuais salinas ricas em orgânicos migram para os AEMs através da atração eletrostática, o que deteriora a incrustação da membrana durante o processo de eletrodiálise, limitando significativamente a eficiência de transferência dos ânions e comprometendo o fracionamento do sais orgânicos e inorgânicos.

99.3% for all the antibiotic/NaCl mixed solutions (Fig. 4a–d). More importantly, only a trace amount of organics (<10 ppm) passed into the concentrate side, suggesting sufficient fractionation of all the antibiotics (that is, ceftriaxone sodium, cefotaxime sodium, carbenicillin disodium and ampicillin sodium) and NaCl. Unprecedentedly high recovery efficiencies (>99.1%) of all the antibiotics were obtained from the antibiotic/NaCl mixed solutions (Table 1) during the electro-driven separation. Therefore, the PDA/PEI-coated TFC NPMs with a thin nanoporous layer offer both nano-channels for effective, unperturbed anion transfer, and they substantially retain organics via an enhanced size exclusion effect, achieving an extremely high permselectivity between NaCl and antibiotic (that is, up to 21,407 between NaCl and ceftriaxone sodium) (Supplementary Fig. 16), and thus leading to a one-step fractionation of the organics and NaCl under an electric field. Furthermore, such an electro-driven separation process using the surface-engineered TFC NPMs (that is, NPM-6) as ACMs markedly outperformed the pressure-driven diafiltration process using the NPM-6 membrane as a nanofiltration membrane (Supplementary Table 4) for fractionation of the organics and NaCl in terms of organic recovery and water consumption./p>99.2%) (Fig. 5c,d). Moreover, the negatively charged surface of the NPM-6 membrane aided in electrostatic repulsion of the organics to some extent, lowering the fouling propensity. Expectedly, the NPM-6 membrane also exhibited a remarkable fouling resistance against humic acid even in the humic acid/NaCl mixed solution with an elevated salinity (~50g l−1 NaCl) during a four-cycle electrodialytic separation operation, which can be reflected by the nearly identical decay in conductivity of the humic acid/NaCl mixed solution (Supplementary Fig. 17a) in the diluate for each cycle. Moreover, the NPM-6 membrane yielded an impressive fractionation of humic acid and NaCl in the humic acid/NaCl mixed solution with a desalination efficiency of 99.2% (Supplementary Fig. 17b) and humic acid recovery of 99.6–99.7% (Supplementary Fig. 17c)./p>0.24 g l−1 at the 12-cycle separation operation (Supplementary Fig. 18b). On the other hand, negatively charged ceftriaxone ions inevitably transferred through the AEM-5 membrane to the concentrate side through electrostatic attraction under the electric field, resulting in high content of ceftriaxone sodium (>41 mg l−1) in the concentrate side and low antibiotic recovery (<95.9%) (Supplementary Fig. 18c). Similarly, the AEM-5 membrane also experienced a deteriorating fractionation performance in the humic acid/NaCl mixed solution at an elevated salinity (~50 g l−1 NaCl), due to the fouling caused by humic acid during a four-cycle electrodialytic separation operation (Supplementary Fig. 19a). In particular, the AEM-5 membrane had a decreasing desalination efficiency from 98.9% to 98.6% (Supplementary Fig. 19b). Simultaneously, humic acid with a concentration of over 32 mg l−1 was observed in the concentrate, leading to a humic acid recovery of ca. 96.7% (Supplementary Fig. 19c). Consequently, the electrodialysis equipped with commercial AEMs as ACMs allows for the transfer of organics through the AEMs with a moderate loss of target organics, which is unfavourable for fractionation of organics and NaCl./p>99%) were supplied by Shanghai Aladdin Biochemical Technology. Dopamine hydrochloride (>98%) was supplied from Sigma-Aldrich. These chemicals were used as received for surface coating of the loose NPM. Four antibiotics, that is, ceftriaxone sodium (MW 598.5 Da, >98%), cefotaxime sodium (MW 477.5 Da, 99.5%), carbenicillin disodium (MW 422.4 Da, USP grade) and ampicillin sodium (MW 371.4 Da, USP grade) were purchased from Shanghai Aladdin Biochemical Technology. NaCl (>99.0%) was supplied from Sigma-Aldrich. Chemicals were used as received without any purification./p>