¿Qué potencia tienen las membranas de nanofiltración para la eliminación de metales pesados?

El tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados ​​es un tema candente en el ámbito medioambiental. Una revisión reciente resume sistemáticamente el progreso de la investigación de las membranas de nanofiltración en la eliminación de iones de metales pesados, y revela que a través de la innovación de materiales y la optimización de procesos, el flujo de agua de las membranas de nanofiltración se puede aumentar en más de 3 veces y la tasa de eliminación de varios iones de metales pesados ​​como Cu²⁺, Pb²⁺ y Cd²⁺ puede alcanzar más del 99 %, lo que proporciona una solución eficiente y sostenible para el tratamiento del agua.

La crisis mundial de escasez de agua dulce amenaza la vida de más de 1.800 millones de personas. Hay dos razones principales para esta situación: en primer lugar, el agua de mar representa la gran mayoría de los recursos hídricos mundiales, mientras que la cantidad de agua dulce utilizable es limitada; en segundo lugar, el vertido de aguas residuales provoca una contaminación cada vez más grave del agua dulce. Aunque la tecnología de desalinización de agua de mar ha logrado avances significativos en los últimos años, el exceso de iones de metales pesados ​​(como Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, etc.) en las aguas residuales puede contaminar el agua desalinizada e incluso causar la muerte debido a su acumulación y toxicidad en el cuerpo humano.

Por lo tanto, desarrollar tecnologías para eliminar de manera eficiente trazas de metales pesados ​​tóxicos del agua contaminada es particularmente importante, ya que esto puede lograr simultáneamente dos objetivos: obtener más agua dulce y recuperar recursos valiosos.

Las membranas de nanofiltración tienen tamaños de poro de entre 0,5-2 nm, que se encuentran entre las membranas de ultrafiltración (10-100 nm, alto flujo pero bajo rechazo) y las membranas de ósmosis inversa (alto rechazo pero bajo flujo, alto consumo de energía). Las membranas de nanofiltración pueden retener eficazmente iones de metales pesados ​​y al mismo tiempo proporcionar canales de transporte para moléculas de agua a través de nanoporos, lo que las convierte en una tecnología de vanguardia para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados.

Mecanismos de separación:

Cribado de tamaño: Basado en la diferencia de radio entre los materiales retenidos y permeados. Los tamaños de los poros de las membranas de nanofiltración son mayores que el diámetro de las moléculas de agua (0,4 nm), pero comparables al diámetro de los iones de metales pesados ​​hidratados, lo que permite una separación eficaz ajustando el tamaño de los poros.

Repulsión de Donnan: basada en la repulsión electrostática entre los iones y la superficie de la membrana cargada. Los iones de metales pesados ​​suelen estar cargados positivamente, por lo que una superficie de membrana cargada positivamente es más propicia para retener iones contaminantes.

Además, el pH de la solución de alimentación afecta significativamente el rendimiento de la membrana: por un lado, altera la carga superficial y el grado de reticulación-de la red polimérica, afectando así la tasa de rechazo y la permeabilidad; por otro lado, afecta el estado de los iones metálicos.

Membranas Orgánicas

Las membranas orgánicas normalmente se preparan usando materiales poliméricos, tales como polisulfona, acetato de celulosa, fluoruro de polivinilideno, polietersulfona, polidimetilsiloxano, polietileno, policarbonato y poliimida. Entre ellos, la poliamida es el material más utilizado en la preparación de membranas de nanofiltración y presenta un rendimiento excelente en la desalinización de agua de mar.

Membranas inorgánicas

Las membranas inorgánicas poseen una excelente estabilidad química y térmica y pueden formar una estructura de poros uniforme. En la preparación de membranas inorgánicas se han utilizado materiales cerámicos, vidrio, metales, zeolitas, sílice, aleaciones de paladio y materiales bidimensionales. Las membranas cerámicas están hechas de óxidos metálicos y sus derivados, como TiO₂, SiO₂, ZrO₂ y Al₂O₃.

Membranas de matriz híbrida
Las membranas de matriz híbrida combinan la procesabilidad en solución de los polímeros con la excelente permeabilidad de los aditivos de nanorellenos, con el objetivo de mejorar simultáneamente la permeabilidad y la selectividad. Los aditivos comúnmente utilizados incluyen:

• MOF: cuando se incorpora MOF NH₂-MIL-125(Ti) al 0,010 % en peso, la permeabilidad al agua alcanza los 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ y la tasa de rechazo de Ni²⁺ es del 90,9 %.
• COF: después de la incorporación de triazina hidrofílica-COF, el flujo de agua alcanza 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ y las tasas de rechazo de Zn²⁺ y Pb²⁺ son del 93,8 % y el 92,4 %, respectivamente.
• GO (material bidimensional): después de la incorporación de quitosano en GO, el flujo de agua alcanza los 55 L·m⁻²·h⁻¹ y la tasa de rechazo de Mn²⁺ es del 85 %.
• Nanopartículas de ZnO: mejoran la hidrofilicidad de la membrana, reducen la rugosidad de la superficie y mejoran las propiedades antiincrustantes.

Método de inversión de fase

Este método, introducido por primera vez en la tecnología de membranas por Loeb y Sourajan en 1960, permite la fabricación en un solo-paso de las capas selectivas y de soporte. La microestructura de la membrana se puede controlar ajustando la concentración de polímero, el tipo de baño de coagulación y disolvente, los aditivos y las condiciones ambientales. Por ejemplo:

• Membrana de PPSU dopada con cGO-: la permeabilidad al agua aumentó de 2,1 a 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, con tasas de rechazo del 99 %, 98 %, 82 %, 82 % y 87 % para H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ y Zn²⁺, respectivamente.
• Membrana CS-EDTA-mGO/PES (asistida por campo magnético): el flujo de agua alcanzó 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, tasa de rechazo de Pb²⁺ 98,2%, tasa de rechazo de Cd²⁺ 93,6%
• B-Membrana de nanopartículas/PES de Cur: tasas de rechazo superiores al 99 % para Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ y Ni²⁺.

Método de polimerización interfacial.

La polimerización interfacial es una de las técnicas de preparación de membranas de nanofiltración más utilizadas. Implica sumergir la membrana del sustrato en una solución acuosa que contiene monómeros de amina, seguido de ponerla en contacto con una solución orgánica que contiene monómeros de cloruro de acilo, formando una capa de poliamida ultrafina en la interfaz. Los monómeros comúnmente utilizados son la piperazina y el cloruro de trimesoilo.

• Membranas de poliamida dopadas con nanopartículas de COF-: la permeabilidad al agua aumentó un 67 % (a 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), con tasas de rechazo de Cu²⁺, Mn²⁺ y Pb²⁺ de 98,3 %, 98,4 % y 91,9 %, respectivamente.
• Participación del comonómero BHDA en la polimerización interfacial: el flujo de agua aumentó 2,4 veces (a 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), con tasas de rechazo de Cu²⁺, Zn²⁺ y Pb²⁺ de 96,5%, 96,2% y 88,4%, respectivamente.
• Polimerización interfacial a baja-temperatura (-15 grados): el espesor de la membrana disminuyó y el flujo de agua alcanzó 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, las tasas de retención para Mn²⁺, Cd²⁺ y Cu²⁺ fueron 97,9%, 87,7% y 93,9%, respectivamente.

Método de recubrimiento-por inmersión

El método de recubrimiento por inmersión-es sencillo de utilizar, económico, eficaz, libre de residuos-y energéticamente-eficiente. El sustrato se sumerge en la solución de material activo y se deja reposar durante un período de tiempo, luego se levanta a una velocidad constante, permitiendo que el disolvente se evapore y forme una película.

• Membrana de PEI reticulada-con carga positiva (sustrato cerámico): el flujo de agua aumentó de 32 a 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, con tasas de rechazo del 99,8 % para Cu²⁺, del 96,8 % para As⁵⁺ y del 97,2 % para Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% para Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ y Ni²⁺.
• Membrana pre-complejada de PEI/Cu²⁺: flujo de agua 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, las tasas de retención de Zn²⁺, Ni²⁺ y Cd²⁺ fueron del 91,8 %, 83,2 % y 75,6 %, respectivamente.

Modificación/funcionalización de superficies

La modificación de la superficie puede construir capas ultrafinas en la superficie de la membrana de nanofiltración, mejorando simultáneamente la selectividad y la permeabilidad.

• 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 >97% para Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ y Cu²⁺, y una tasa de rechazo del 92% para Pb²⁺.
• Membrana de PES modificada con CNFs-co-Cs: el flujo de agua aumentó de 4,25 a 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% para Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ y Ni²⁺.

La tecnología de membranas de nanofiltración ha logrado avances significativos en el campo de la eliminación de iones de metales pesados. Al seleccionar racionalmente los materiales de las membranas y los procesos de preparación, se puede controlar la microestructura de las membranas de nanofiltración, mejorando significativamente el flujo de agua y las tasas de rechazo de iones de metales pesados.

Direcciones de desarrollo futuro:

• Selectividad iónica: en el agua contaminada del mundo real-conviven múltiples iones metálicos. Es necesario desarrollar membranas de nanofiltración capaces de retener selectivamente iones metálicos específicos para lograr el doble objetivo de purificación de agua y recuperación de metales.
• Estabilidad de la membrana: las investigaciones actuales tienen ciclos de prueba cortos y el rendimiento de la mayoría de las membranas se deteriora con el tiempo. Se necesita más reticulación o la introducción de nanopartículas inorgánicas estables para mejorar la estabilidad de la membrana.
• Rendimiento antiincrustante: el ensuciamiento de las membranas es un desafío común en la tecnología de membranas. Se necesita ingeniería de superficies (como la construcción de superficies cargadas positivamente para formar capas de agua) para mitigar o prevenir la adsorción de contaminantes.
• Modo de funcionamiento: la mayoría de los estudios emplean-filtración sin salida, ignorando la cuestión de la adsorción de iones metálicos dentro de la membrana. Las aplicaciones industriales requieren modos de funcionamiento de flujo cruzado-y se debe prestar más atención al rendimiento a largo plazo de las membranas en este modo.