L'effetto schermante consente un rapido trasferimento di ioni attraverso la membrana nanoporosa per un'elevata energia
Nature Water (2023) Cita 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.