بررسی غشاهای نانو کامپوزیت سرامیکی و رسوب غشایی

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت):

چکیده

فناوری‌های غشایی کاربردهای گسترد‌ه‌ای در حذف آلاینده‌ها از آب ­آشامیدنی و فاضلاب دارند. در دهه‌های اخیر، غشای سرامیکی به دلیل خواص مفید نسبت به غشای پلیمری معمولی، پیشرفت سریعی در تصفیه فاضلاب­ صنعتی/شهری و تصفیه آب ­آشامیدنی داشته ­است. ویژگی‌های مفید غشاهای سرامیکی شامل: مقاومت در  برابر­ رسوب‌پذیری، نفوذپذیری بالا، قابلیت بازیافت­ خوب، پایداری شیمیایی، طول عمر طولانی، تخریب آلاینده‌ها و خود تمیز شوندگی است که با نوآوری‌های اخیر، هم در روش‌های ساخت و هم در فناوری نانو کاربرد پیدا کرده است. بنابراین، غشاهای سرامیکی برای کاربردهای بالقوه در تصفیه آب، بسیار امید بخش هستند. در این مقاله عمدتاً پیشرفت در تحقیق و توسعه غشاهای سرامیکی را با تمرکز کلیدی بر غشاهای سرامیکی متخلخل و غشاهای ­سرامیکی نانو مواد عامل‌دار برای نانو فیلتراسیون یا کاتالیز بررسی ­شد. وضعیت فعلی غشاهای سرامیکی موجود در صنعت و دانشگاه ، مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای بالقوه آن‌ها بررسی ‌شد. در بخش آخر، بررسی بر روی رسوب­‌گیری غشای‌ سرامیکی و تلاش برای کاهش رسوب غشای سرامیکی متمرکز شده ­است. قبل از این به ندرت پیشرفت‌ها در فناوری‌های غشای­ سرامیکی  به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته‌اند، بنابراین، این بررسی می‌تواند به عنوان راهنما برای کسانی که تازه  وارد این رشته شده‌اند و همچنین برای محققان شناخته شده­ باشد.

نتیجه‌گیری و چشم انداز آینده

هدف این بررسی، بحث در مورد وضعیت فعلی هنر در غشاهای سرامیکی، یعنی غشاهای NF سرامیکی، غشاهای نانو کامپوزیت سرامیکی، غشاهای کاتالیزوری سرامیکی، و رسوب غشایی است.

مزایای غشاهای سرامیکی و غشاهای نانوکامپوزیت سرامیکی در سیستم های هیبریدی برای تصفیه آب در شکل زیر خلاصه شده ­است، که شامل کاهش، تخریب آلاینده‌ها، ضد عفونی و کنترل  DBPs است. استفاده از غشاهای سرامیکی در سیستم هیبریدی در مقایسه با استفاده از نمونه‌های پلیمری دارای تمایل کمتری به رسوب‌گیری، رسوب‌گیری غیرقابل برگشت کمتر، اثرات زیست محیطی کمتر، مصرف انرژی کمتر در تولید و شستشوی معکوس، شار بیشتر، طول عمر کمتر و راندمان تمیز کنندگی بالاتر گزارش شده­ است. این ویژگی‌های سودمند، چشم‌انداز بسیار خوبی برای کاربرد غشاهای سرامیکی در شرایط تصفیه آب ملایم ارائه می‌دهد.

1. غشاهای سرامیکی MF و UF که به صورت تجاری در بازار موجود هستند به‌طور گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند. تحقیقات بیشتری برای توسعه غشاهای سرامیکی MF و UF برای بهبود سهولت ساخت، چگالی بسته‌بندی بالا و هزینه‌های پایین‌تر در حین حفظ مداوم غشاهای با کیفیت بالا، برای کاربردها در تصفیه آب آشامیدنی/پساب در مقیاس‌های بزرگ مورد نیاز است. علاوه بر این، تحقیقات گسترده در مورد ساخت و ارزیابی غشاهای NF سرامیکی نیز ضروری است. فرآیند سل ژل روش متداول برای تهیه غشاهای NF سرامیکی بود. روش‌های جدید مانند ALD، CVD، تصفیه هیدروترمال و LDL باید برای آماده ‌سازی سرامیکی غشاهای NF مورد بررسی و بهینه‌سازی قرار می‌گیرند. برای گسترش کاربردهای فناوری NF سرامیکی در تولید صنعتی و کاربردهای در مقیاس بزرگ، مطالعه جامع مکانیسم جداسازی، فرآیندهای رسوب‌گیری و استراتژی‌های تمیز کردن غشاهای NF سرامیکی ضروری است.

2. غشاهای سرامیکی مبتنی بر فناوری نانو با غلبه بر محدودیت‌های مواد معمولی، فرصت‌های جدیدی را برای گسترش کاربردهای غشای سرامیکی باز می‌کنند. اگرچه اطلاعات در مورد نانو مواد برای اصلاح سرامیک ارائه شده در این­ بررسی جامع نیست اما، استراتژی‌های قابل توجهی برای تهیه غشاهای NF سرامیکی و غشاهای سرامیکی کاتالیزوری مورد ­بررسی قرار گرفته ­است.

3. مطالعات بر اصلاحات مبتنی بر TiO2 به‎‌­شدت در استفاده از نانو کامپوزیت‌های مبتنی بر TiO2 به عنوان جایگزین‌های موثر برای ساخت غشاهای فوتوکاتالیستی برای آلودگی­ زدایی آب، با توجه به کاربردهای عملی شناخته شده آن‌ها در تصفیه آب حمایت می‌کند. با این حال، اکثر غشاهای سرامیکی مبتنی بر فناوری نانو که بر­روی پایه‌های دیسک کوچک تهیه شده و در فیلتراسیون بن‌بست آزمایش شده‌اند، الزامات کاربردهای عملی را برآورده نمی‌کنند. عملکرد غشاهای سرامیکی جدید نیاز به ارزیابی از طریق فیلتر کردن فاضلاب مصنوعی و فاضلاب واقعی برای عملیات طولانی مدت جهت اجرای تجاری دارد.

4. تحقیقات در مورد ادغام فرآیندهای اکسیداسیون و غشاهای سرامیکی برای جایگزینی فرآیندهای تصفیه آب ­معمولی، توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده و اثبات شده که برای تولید آب آشامیدنی بسیار قابل اعتماد است. ترکیب نانو کامپوزیت‌ها در غشای سرامیکی، سیستم‌های یکپارچه را برای کاهش رسوب غشا، طراحی یک مرحله‌ای و بازیابی کاتالیز موثرتر می‌کند. مصرف انرژی و اثرات زیست­ محیطی سیستم‌های هیبریدی جدید، باید با فناوری‌های موجود در ارزیابی چرخه عمر مقایسه گردد.

5. فرآیند غشای سرامیکی کاتالیزوری برای حذف رنگ‌ها مؤثرتر عمل می‌کند، اما مطالعات در مورد ادغام فرآیند برای تجزیه مواد آلی محلول، میکرو آلاینده‌ها و میکرو ارگانیسم‌ها محدود است. مطالعات بیشتر باید بر­روی بررسی فوتوکاتالیست‌های فعال نور خورشیدی/مرئی، محصولات میانی آلاینده‌های آلی در فرآیند کاتالیزوری، و مکانیسم ضدعفونی تمرکز ­کنند. برای ترویج کاربرد غشاهای سرامیکی کاتالیزوری در صنعت، چالش‌ها، طراحی پیکربندی راکتور غشایی است، به ویژه برای غشاهای فوتوکاتالیستی، که در آن قرار گرفتن سطح ­غشا در معرض تابش UV و افزایش زمان ماند هیدرولیکی در راکتور، نیاز به بهینه‌سازی دارد. سمت نفوذ غشاهای اصلاح شده توسط کاتالیز دارای مزایای فعالیت فوتوکاتالیستی بالاتر و لایه جداسازی مستقل و لایه کاتالیزوری است.

6. تمایل به رسوب‌گیری کمتر و رسوب غیرقابل برگشت برای غشاهای سرامیکی، به دلیل کاهش تعامل رسوب در سطوح سرامیکی آب­دوست‌تر نسبت به غشاهای پلیمری یافت شده است. تحقیقات بیشتر برای درک خواص سطحی غشاهای سرامیکی بر میزان رسوب غشا و تجزیه و تحلیل رسوب‌ها ضروری است، که امکان انتخاب استراتژی تمیز کردن مناسب برای عملیات قابل اعتماد و طولانی مدت را فراهم می‌کند. علاوه بر این، راه حل‌های کارآمد برای مسائل رسوب زیستی که در فیلتراسیون غشای سرامیکی با آن مواجه هستند، باید مورد بررسی قرار گیرند.

دانلود فایل: بررسی غشاهای نانو کامپوزیت سرامیکی و رسوب غشایی

Reference

Li C, Sun W, Lu Z, Ao X, Li S. Ceramic nanocomposite membranes and membrane fouling: A review. Water Research. 2020 May 15; 175:115674.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.115674

مترجم: علیرضا کرفی