L'effetto schermante consente un rapido trasferimento di ioni attraverso la membrana nanoporosa per un'elevata energia

Natura Acqua volume 1, pagine 725–735 (2023) Citare questo articolo

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Una chiave per la gestione sostenibile delle acque reflue saline ricche di sostanze organiche è frazionare con precisione i componenti organici e i sali inorganici (NaCl) come risorse individuali. I processi convenzionali di nanofiltrazione ed elettrodialisi soffrono di intasamento della membrana e compromettono l'efficacia del frazionamento. Qui sviluppiamo una membrana nanoporosa composita a film sottile tramite co-deposizione di dopamina e polietilenimmina come membrana altamente conduttrice di anioni. I risultati sperimentali e le simulazioni di dinamica molecolare mostrano che la co-deposizione di dopamina e polietilenimmina adatta efficacemente le proprietà della superficie della membrana, intensificando l'effetto di schermatura della carica e consentendo un rapido trasferimento anionico per un'elettrodialisi altamente efficiente. La membrana nanoporosa risultante mostra un frazionamento elettrodialitico senza precedenti di sostanze organiche e NaCl con un intasamento della membrana trascurabile, superando notevolmente le membrane a scambio anionico all'avanguardia. Il nostro studio fa luce sulla facile progettazione di membrane conduttrici di anioni ad alte prestazioni e sui nuovi meccanismi di trasporto di massa associati nella separazione elettrodialitica, aprendo la strada alla gestione sostenibile di flussi di rifiuti complessi.

Per promuovere un’economia circolare a zero emissioni nette di carbonio, gli attuali processi di trattamento delle acque reflue necessitano urgentemente di un cambiamento di paradigma dalla rimozione convenzionale dei contaminanti al recupero di risorse, ad esempio energia, nutrienti, biomassa e altri sottoprodotti ad alto valore aggiunto che non si trovano nell’acqua bonifica mediante osmosi inversa1,2,3,4,5. Una grande sfida nel trattamento delle acque reflue è la gestione dei flussi di rifiuti salini ricchi di sostanze organiche prodotti in un'ampia gamma di settori industriali, come la lavorazione tessile, le concerie, la trasformazione alimentare, l'industria del petrolio e del gas, le cartiere e la produzione farmaceutica6,7,8 ,9. Pertanto, è importante frazionare in modo efficace i sali organici e inorganici (ad esempio, NaCl) utilizzando una tecnologia di separazione innovativa e avanzata per recuperare in modo sostenibile risorse preziose da questi flussi di rifiuti salini ricchi di sostanze organiche10.

Le tecnologie di separazione basate su membrane offrono opportunità per gestire in modo efficace questi flussi di rifiuti salini ricchi di sostanze organiche. Ad esempio, la nanofiltrazione è tra le tecnologie a membrana a pressione più utilizzate per setacciare sostanze organiche con pesi molecolari (MW) di 200-1.000 Da e sali inorganici provenienti dai flussi di rifiuti salini ricchi di sostanza organica in base agli effetti sinergici dell'esclusione dimensionale e dell'elettrostatica repulsione utilizzando le membrane nanoporose composite a film sottile (TFC), che trattengono le sostanze organiche ma consentono parzialmente la trasmissione dei sali inorganici11,12,13,14,15,16. Tuttavia, l'elevata pressione osmotica, l'imbrattamento della membrana e la polarizzazione della concentrazione potenziata dalla torta sperimentati nel processo di nanofiltrazione guidato dalla pressione inducono un dannoso declino del flusso di membrana, riducendo così al minimo l'efficienza di separazione dei sali organici e inorganici17,18,19. Inoltre, la procedura di nanofiltrazione-diafiltrazione guidata dalla pressione dovrebbe essere implementata con un elevato consumo di acqua pura per ottenere il frazionamento dei sali organici e inorganici, che inevitabilmente soffre di una notevole perdita di sostanze organiche target e quindi riduce la produttività del sistema10,20.

Come approccio alternativo alla nanofiltrazione, l'elettrodialisi viene proposta come percorso per la desalinizzazione delle acque reflue saline ricche di sostanze organiche, che consente il trasferimento di cationi e anioni attraverso membrane a scambio cationico (CEM) e membrane a scambio anionico (AEM) sotto un campo elettrico a corrente continua21 ,22,23. Tuttavia, la maggior parte dei composti organici con cariche negative nelle acque reflue saline ricche di sostanza organica migra verso gli AEM tramite attrazione elettrostatica, che deteriora l'incrostazione della membrana durante il processo di elettrodialisi24,25,26, limitando significativamente l'efficienza di trasferimento degli anioni e mettendo a repentaglio il frazionamento del sali organici e inorganici.

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>