چکیده
نیاز فوری به راه حل های پایدار برای رسیدگی به کمبود آب شیرین، علاقه تحقیقاتی قابل توجهی را در مورد مواد مبتنی بر غشای لایه نازک سبز (GTFM) برای کاربردهای نمک زدایی تشویق کرده است. این مقاله مروری به طور جامع پیشرفتهای اخیر در طراحی، خواص و کاربردهای این غشاهای نوآورانه را بررسی میکند. با تاکید بر پایداری و کارایی محیطی، تکنیکهای مختلف ساخت مانند الکتروریسی، مونتاژ لایه به لایه و سنتز الگو برای نقش آنها در ساخت ساختارهای غشایی در مقیاس نانو مورد بحث قرار میگیرند. این بررسی بر اهمیت ترکیب مواد سازگار با محیط زیست، مانند پلیمرهای زیستی، عصارههای طبیعی و نانوسلولز، در فرمولهای غشایی برای افزایش تجزیهپذیری زیستی و کاهش اثرات زیستمحیطی تاکید میکند. علاوه بر این، این مقاله خواص مهم غشاهای فیلم سبز، از جمله نفوذپذیری، گزینش پذیری، مقاومت مکانیکی و مقاومت در برابر رسوب را بررسی می کند. علاوه بر این، این بررسی به بررسی پیشرفتهای اخیر در استراتژیهای عاملسازی، مانند اصلاح سطح و ادغام نانومواد، برای افزایش خواص غشا و رفع چالشهای خاص نمکزدایی میپردازد.
کاربردهای غشاهای لایه نازک سبز در فناوریهای مختلف نمکزدایی، از جمله اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون و اسمز رو به جلو، بهطور کامل مورد بررسی قرار گرفتهاند. علاوه بر این، این بررسی روندهای نوظهور و جهتگیریهای آتی را در تحقیقات غشاء لایه نازک سبز، مانند غشاهای چند منظوره، سیستمهای ترکیبی و فرآیندهای نمکزدایی یکپارچه مورد بحث قرار میدهد.
به طور خلاصه، این بررسی بینش های ارزشمندی را در مورد اصول طراحی، خواص اساسی و کاربردهای متنوع مواد مبتنی بر GTFM برای نمک زدایی پایدار ارائه می دهد و راه را برای توسعه نسل بعدی فناوری های تصفیه آب هموار می کند.
قطعات بخش
زمینه وسیع تر
در زمینه گسترده تر نمک زدایی، مواد مبتنی بر غشای لایه نازک سبز راه حلی پایدار برای بحران جهانی کمبود آب ارائه می دهند. این غشاها که با کاهش مصرف انرژی، حداقل ردپای محیطی و استفاده از منابع تجدیدپذیر مشخص میشوند، پیشرفت قابل توجهی در فناوری نمکزدایی دارند. غشاهای لایه نازک سبز با بهینه سازی فرآیندهای ساخت برای سازگاری با محیط زیست و مهار، تأثیرات زیست محیطی را به حداقل می رساند و در عین حال کارایی را به حداکثر می رساند.
تکنیک های طراحی و ساخت غشاهای لایه نازک سبز
در سالهای اخیر، پیشرفت قابلتوجهی در فناوری غشای لایه نازک سبز (GTFM) صورت گرفته است که منجر به توسعه روشهای فیلتر کارآمدتر برای جداسازی اجزا از یک محلول شده است [56]. فن آوری فیلتر پیشرفته در غشاهای GTFM برای ایجاد غشاهای با کیفیت بالا با استفاده از تکنیک های مختلف مانند پلیمریزاسیون پیوندی، پلیمریزاسیون سطحی (IP)، ادغام نانوذرات (NPs) و غیره توسعه یافته است [57]. هدف اصلی این فناوری ها
جداسازی منیزیم و لیتیوم از آب نمک دریاچه
رشد سریع بخش های نوظهور انرژی در سطح جهان نیاز به لیتیوم و ترکیبات مرتبط را به طور قابل توجهی افزایش داده است و آنها را به کاربران اصلی لیتیوم تبدیل کرده است [129]. حدود 79 درصد از ذخایر جهانی لیتیوم در آب نمک دریاچه نمک موجود است. با این وجود، مانع اصلی در فرآیند استخراج لیتیوم وجود غلظت قابل توجهی از یون های Mg 2+ است که به طور قابل توجهی بر اثربخشی استخراج لیتیوم تأثیر می گذارد [130]. برعکس، استخراج متعارف و
فرآیند تقطیر غشایی
ظرفیت تصفیه و تغلیظ آب خوراک با شوری بالا، مانند آب نمک، توجه زیادی را به تقطیر غشایی (MD)، یک روش ترکیبی جداسازی غشایی حرارتی جلب کرده است [163]. از آنجایی که دمای آب نمک های زمین گرمایی بالاتر است، MD ممکن است مستقیماً با آنها تغذیه شود. به همین دلیل، MD رویکرد جذابتری نسبت به تکنیکهای مبتنی بر غشاء جایگزین برای غنیسازی لیتیوم از آب نمکهای زمین گرمایی است. برای تغلیظ آب نمک لیتیوم و حذف یون های نامطلوب مانند کلسیم و منیزیم،
جداسازی یون های فلزات سنگین از آب نمک
کمبود آب در چندین کشور در سراسر جهان شایع است که عمدتاً تحت تأثیر عواملی مانند موقعیت جغرافیایی و توپوگرافی، محیط زیست و جمعیت است. متغیرهای اولیه که بر دسترسی به آب در کشورهای آسیایی تأثیر میگذارند، جمعیت زیاد، تصفیه نامناسب فاضلاب، مدیریت نادرست منابع آب و مسائل نظارتی است [218,219]. کمبود جهانی، تخصیص نابرابر، و آلودگی منابع آب شیرین زمین وجود دارد. دلایل اصلی که به مشکل کمک می کنند عبارتند از
جداسازی انتخابی املاح
امروزه از غشاهای مصنوعی مختلف با قطر منافذ مختلف برای تصفیه آب استفاده می شود. اسمز معکوس (RO)، میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و سایر فناوریها در این دسته از غشاها قرار میگیرند [240,241]. گزینش پذیری غشاء نقش حیاتی در ارزیابی کارایی جداسازی غشا ایفا می کند. اندازهگیری میزان جدایی بین املاح مورد نظر، مانند نمکهای موجود در نمکزدایی، و اجزای دیگر، مانند آب، را تعیین میکند.
مکانیسم انتقال یون
در قرن بیست و یکم، استفاده مجدد و نمک زدایی از آب شور به تکنیک های ضروری برای تولید آب آشامیدنی تبدیل شده است [258]. سه فناوری غشایی وجود دارد که در حال حاضر برای نمکزدایی آب مورد استفاده قرار میگیرند: اسمز معکوس (RO)، نانو فیلتراسیون (NF) و الکترودیالیز (ED) [259]. در حال حاضر، غشاهای کامپوزیت لایه نازک (TFCMs) اکثریت غشاهای مورد استفاده در بخش فناوری تصفیه آب تحت فشار را تشکیل می دهند [260]. به طور کلی، یک TFCM (مانند RO یا NF)
شبیه سازی و مدل سازی نظری
در حال حاضر، طیف متنوعی از فناوری های غشایی اغلب برای تصفیه آب استفاده می شود. فرآیندها را می توان بر اساس نیروهای محرک آنها دسته بندی کرد: دیفرانسیل فشار (میکرو فیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF)، اسمز معکوس (RO))، دیفرانسیل غلظت (اسمز رو به جلو (FO))، دیفرانسیل پتانسیل الکتریکی. الکترودیالیز (ED)، الکترودیونیزاسیون (EDI)) و اختلاف دما (تقطیر غشایی) [273,274]. به دلیل استفاده روزافزون از غشا
کاربردهای نمک زدایی غشاهای لایه نازک سبز
غشاهای لایه نازک سبز که با استفاده از مواد و تکنیک های سازگار با محیط زیست ساخته می شوند، به دلیل ماهیت پایدار و پتانسیل آنها برای به حداقل رساندن آسیب های زیست محیطی، طیف وسیعی از کاربردها در بسیاری از بخش ها دارد. با این حال، این مطالعه به طور خاص بر روی کاربردهای نمک زدایی غشاهای لایه نازک سازگار با محیط زیست متمرکز است.
جهت آینده و خلاصه
در زمانهای اخیر، پیشرفت قابلتوجهی در طراحی و تقویت غشاهای لایه نازک سبز با کارایی بالا (GTFMs) که برای تصفیه آب و نمکزدایی طراحی شدهاند، حاصل شده است. این غشاها از پرکننده های عامل دار استفاده می کنند که از طیف وسیعی از مواد از جمله پلیمرهای زیستی، مواد سازگار با محیط زیست، اکسید گرافن (GO)، نانولوله های کربنی (CNT)، دی اکسید تیتانیوم (TiO2 ) ، دی اکسید تیتانیوم اصلاح شده با نقره (Ag-TiO2 ) استفاده می کنند. چارچوب های فلزی-آلی (MOF) و پرکننده های آلی.