ナノ濾過膜は重金属除去にどれほど強力ですか?

環境分野では重金属汚染水処理が大きな話題となっている。最近のレビューでは、重金属イオンの除去におけるナノ濾過膜の研究の進歩を体系的にまとめており、材料の革新とプロセスの最適化により、ナノ濾過膜の水流束を 3 倍以上増加させることができ、Cu2⁺、Pb2⁺、Cd2⁺ などのさまざまな重金属イオンの除去率を 99% 以上に達成でき、水処理に効率的で持続可能なソリューションを提供できることが明らかになりました。

世界的な淡水不足の危機により、18億人以上の命が脅かされています。この苦境には主に 2 つの理由があります。1 つは、海水が世界の水資源の大部分を占めているのに対し、利用可能な淡水の量は限られているということです。第二に、廃水の排出はますます深刻な淡水汚染を引き起こします。近年、海水淡水化技術は著しく進歩していますが、廃水中の過剰な重金属イオン（Zn2⁺、Cu2⁺、Fe2⁺、Hg2⁺、Cd2⁺、Pb2⁺、Cr⁶⁺など）は淡水化水を汚染し、人体への蓄積と毒性により死亡に至る可能性があります。

したがって、より多くの淡水の確保と貴重な資源の回収という 2 つの目標を同時に達成できるため、汚染水から微量の有毒な重金属を効率的に除去する技術の開発が特に重要です。

ナノ濾過膜の孔径は 0.5-2 nm で、限外濾過膜 (10-100 nm、高流束だが低阻止) と逆浸透膜 (高阻止だが低流束、高エネルギー消費) の間に位置します。ナノ濾過膜は、重金属イオンを効果的に保持しながら、ナノ細孔を通る水分子の輸送チャネルを提供することができるため、重金属汚染廃水を処理するための最先端技術となります。

分離メカニズム:

サイズスクリーニング: 保持された材料と浸透した材料の半径の違いに基づいて行われます。ナノ濾過膜の孔径は水分子の直径（0.4nm）よりも大きく、水和重金属イオンの直径に匹敵するため、孔径を調整することで効果的な分離が可能です。

ドナン反発: イオンと帯電した膜表面の間の静電反発力に基づいています。重金属イオンは通常、正に帯電しているため、正に帯電した膜表面は汚染物質イオンを保持しやすくなります。

さらに、供給溶液の pH は膜の性能に大きく影響します。一方では、表面電荷とポリマー ネットワークの架橋度が変化し、阻止率と透過性に影響します。{0}一方で、金属イオンの状態に影響を与えます。

有機膜

有機膜は通常、ポリスルホン、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルスルホン、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミドなどのポリマー材料を使用して調製されます。中でもポリアミドはナノ濾過膜の作製に最も広く使用されている材料であり、海水淡水化において優れた性能を発揮します。

無機膜

無機膜は優れた化学的および熱的安定性を有し、均一な細孔構造を形成できます。無機膜の作製には、セラミック材料、ガラス、金属、ゼオライト、シリカ、パラジウム合金、二次元材料が使用されています。-。セラミック膜は、TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3 などの金属酸化物とその誘導体から作られます。

ハイブリッドマトリックス膜
ハイブリッド マトリックス膜は、ポリマーの溶液加工性とナノフィラー添加剤の優れた透過性を組み合わせ、透過性と選択性を同時に向上させることを目指しています。一般的に使用される添加剤には次のようなものがあります。

• MOF: MOF NH₂-MIL-125(Ti) を 0.010 wt% 配合すると、透水性は 12.2 L・m⁻²・h⁻¹・bar⁻¹ に達し、Ni²⁺ 阻止率は 90.9% になります。
• COF: 親水性トリアジン- COF の導入後、水流束は 15 L・m⁻²・h⁻¹・bar⁻¹ に達し、Zn²⁺ と Pb²⁺ の除去率はそれぞれ 93.8% と 92.4% になります。
• GO (二次元材料): GO にキトサンを組み込んだ後、水流束は 55 L・m⁻²・h⁻¹ に達し、Mn²⁺ 除去率は 85% になります。
• ZnO ナノ粒子: 膜の親水性を向上させ、表面粗さを低減し、防汚特性を強化します。

位相反転方式

この方法は、1960 年に Loeb と Sourajan によって初めて膜技術に導入され、選択層と支持層をワンステップで製造できるようになりました。-膜の微細構造は、ポリマー濃度、溶媒と凝固浴の種類、添加剤、環境条件を調整することで制御できます。例えば：

• cGO- ドープ PPSU 膜: 水透過性が 2.1 L・m⁻²・h⁻¹ に増加し、H₂AsO₄、HCrO₄⁻、Cd²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺ の阻止率が 99%、98%、82%、82%、87% になりました。それぞれ。
• CS-EDTA-mGO/PES 膜（磁場補助）: 水流束は 84.2 に達しました。 L・m⁻²・h⁻¹、Pb²⁺除去率98.2%、Cd²⁺除去率93.6%
• B-Cur ナノ粒子/PES 膜: Fe²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺ の除去率が 99% を超える

界面重合法

界面重合は、最も広く使用されているナノ濾過膜調製技術の 1 つです。これには、アミンモノマーを含む水溶液に基材膜を浸漬し、続いて塩化アシルモノマーを含む有機溶液と接触させ、界面に極薄のポリアミド層を形成します。一般的に使用されるモノマーは、ピペラジンと塩化トリメソイルです。

• COF ナノ粒子-ドープポリアミド膜: 水透過性は 67% 増加し (10.8 L・m⁻²・h⁻¹・bar⁻¹)、Cu²⁺、Mn²⁺、Pb²⁺ の阻止率はそれぞれ 98.3%、98.4%、91.9% でした。
• BHDA コモノマーの界面重合への関与: 水流束は 2.4 倍 (12.9 L・m⁻²・h⁻¹) に増加し、Cu2⁺、Zn2⁺、Pb2⁺ の阻止率はそれぞれ 96.5%、96.2%、88.4% になりました。
• 低温界面重合（-15 度）: 膜厚が減少し、水流束が 19.2 に達しました。 L・m-2・h-1・bar-1、Mn2+、Cd2+、Cu2+の保持率はそれぞれ97.9%、87.7%、93.9%でした。

ディップ-コーティング法

ディップ{0}}コーティング法は操作が簡単で、経済的、効率的、無駄がなく、エネルギー効率も優れています。{{1}基板を活物質溶液に浸漬し、一定時間放置した後、一定速度で引き上げると溶媒が蒸発して膜が形成されます。

• 正に帯電した架橋-PEI膜（セラミック基板）: 水流束は32から82 L・m⁻²・h⁻¹・bar⁻¹に増加し、Cu⁻⁺の阻止率は99.8%、As⁵⁺の96.8％、Cr⁶⁺の阻止率は97.2％でした。
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >Cd²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺では95%。
• PEI/Cu²⁺プレ-複合膜: 水流束8.1 L・m⁻²・h⁻¹・bar⁻¹、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺の保持率はそれぞれ91.8%、83.2%、75.6%でした。

表面改質・機能化

表面改質により、ナノ濾過膜表面に極薄層を構築し、同時に選択性と透過性を向上させることができます。

• 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⁺、Cu²⁺の除去率は97%、Pb²⁺の除去率は92%です。
• CNFs-co-Cs 修飾 PES 膜: 水流束が 4.25 から 13.58 L・m⁻²・h⁻¹・bar⁻¹ に増加
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >Cd²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺では95%。

ナノ濾過膜技術は、重金属イオン除去の分野で大きな進歩を遂げました。膜材料と調製プロセスを合理的に選択することにより、ナノ濾過膜の微細構造を制御でき、水流束と重金属イオン除去率を大幅に改善できます。

今後の開発の方向性:

• イオン選択性: 現実世界の汚染水では、複数の金属イオンが共存しています。-水の浄化と金属の回収という二重の目標を達成するには、特定の金属イオンを選択的に保持できるナノ濾過膜を開発する必要がある。
• 膜の安定性: 現在の研究ではテストサイクルが短く、ほとんどの膜の性能は時間の経過とともに低下します。膜の安定性を向上させるには、さらなる架橋結合または安定した無機ナノ粒子の導入が必要です。-
• 防汚性能: 膜の汚れは膜技術における一般的な課題です。汚染物質の吸着を軽減または防止するには、表面工学 (正に帯電した表面を構築して水層を形成するなど) が必要です。
• 動作モード: ほとんどの研究ではデッドエンドろ過が採用されており、膜内の金属イオンの吸着の問題は無視されています。{0}産業用アプリケーションにはクロスフロー動作モードが必要です。-このモードでの膜の長期的なパフォーマンスにはさらに注意を払う必要があります。-