Seberapa Kuatkah Membran Nanofiltrasi Untuk Menghilangkan Logam Berat?

Pengolahan air yang terkontaminasi logam berat merupakan topik hangat di bidang lingkungan hidup. Tinjauan baru-baru ini secara sistematis merangkum kemajuan penelitian membran nanofiltrasi dalam penghilangan ion logam berat, mengungkapkan bahwa melalui inovasi material dan optimalisasi proses, fluks air membran nanofiltrasi dapat ditingkatkan lebih dari 3 kali lipat, dan laju penghilangan berbagai ion logam berat seperti Cu²⁺, Pb²⁺, dan Cd²⁺ dapat mencapai lebih dari 99%, memberikan solusi yang efisien dan berkelanjutan untuk pengolahan air.

Krisis kekurangan air bersih global mengancam kehidupan lebih dari 1,8 miliar orang. Ada dua alasan utama yang menyebabkan kesulitan ini: pertama, air laut menyumbang sebagian besar sumber daya air global, sementara jumlah air tawar yang dapat digunakan terbatas; kedua, pembuangan air limbah menyebabkan pencemaran air tawar yang semakin serius. Meskipun teknologi desalinasi air laut telah mengalami kemajuan yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir, ion logam berat yang berlebihan (seperti Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, dll.) dalam air limbah dapat mencemari air desalinasi, bahkan menyebabkan kematian karena akumulasi dan toksisitasnya dalam tubuh manusia.

Oleh karena itu, pengembangan teknologi yang secara efisien menghilangkan sejumlah kecil logam berat beracun dari air yang tercemar sangatlah penting, karena hal ini dapat mencapai dua tujuan sekaligus: memperoleh lebih banyak air bersih dan memulihkan sumber daya yang berharga.

Membran nanofiltrasi memiliki ukuran pori antara 0,5-2 nm, berada di antara membran ultrafiltrasi (10-100 nm, fluks tinggi tetapi penolakan rendah) dan membran osmosis balik (penolakan tinggi tetapi fluks rendah, konsumsi energi tinggi). Membran nanofiltrasi dapat secara efektif menahan ion logam berat sekaligus menyediakan saluran transportasi molekul air melalui pori nano, menjadikannya teknologi mutakhir untuk mengolah air limbah yang terkontaminasi logam berat.

Mekanisme Pemisahan:

Penyaringan Ukuran: Berdasarkan perbedaan radius antara material yang tertahan dan material yang diresapi. Ukuran pori membran nanofiltrasi lebih besar dari diameter molekul air (0,4 nm), namun sebanding dengan diameter ion logam berat terhidrasi, memungkinkan pemisahan yang efektif dengan menyesuaikan ukuran pori.

Tolakan Donnan: Berdasarkan tolakan elektrostatik antara ion dan permukaan membran bermuatan. Ion logam berat biasanya bermuatan positif, oleh karena itu permukaan membran yang bermuatan positif lebih kondusif untuk menahan ion polutan.

Selain itu, pH larutan umpan secara signifikan memengaruhi kinerja membran: di satu sisi, pH mengubah muatan permukaan dan derajat ikatan silang-jaringan polimer, sehingga memengaruhi laju penolakan dan permeabilitas; di sisi lain, hal ini mempengaruhi keadaan ion logam.

Membran Organik

Membran organik biasanya dibuat menggunakan bahan polimer, seperti polisulfon, selulosa asetat, polivinilidena fluorida, polietersulfon, polidimetilsiloksan, polietilen, polikarbonat, dan polimida. Diantaranya, poliamida adalah bahan yang paling banyak digunakan dalam persiapan membran nanofiltrasi, menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam desalinasi air laut.

Membran Anorganik

Membran anorganik memiliki stabilitas kimia dan termal yang sangat baik serta dapat membentuk struktur pori yang seragam. Bahan keramik, kaca, logam, zeolit, silika, paduan paladium, dan bahan dua-dimensi telah digunakan dalam pembuatan membran anorganik. Membran keramik terbuat dari oksida logam dan turunannya, seperti TiO₂, SiO₂, ZrO₂, dan Al₂O₃.

Membran Matriks Hibrid
Membran matriks hibrid menggabungkan kemampuan proses larutan polimer dengan permeabilitas yang sangat baik dari aditif nanofiller, yang bertujuan untuk meningkatkan permeabilitas dan selektivitas secara bersamaan. Bahan tambahan yang biasa digunakan antara lain:

• MOF: Ketika MOF NH₂-MIL-125(Ti) dimasukkan pada 0,010% berat, permeabilitas air mencapai 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, dan tingkat penolakan Ni²⁺ adalah 90,9%.
• COFs: Setelah penggabungan triazine hidrofilik-COFs, fluks air mencapai 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, dan tingkat penolakan Zn²⁺ dan Pb²⁺ masing-masing sebesar 93,8% dan 92,4%.
• GO (bahan-dua dimensi): Setelah kitosan dimasukkan ke dalam GO, fluks air mencapai 55 L·m⁻²·h⁻¹, dan tingkat penolakan Mn²⁺ adalah 85%.
• Nanopartikel ZnO: Meningkatkan hidrofilisitas membran, mengurangi kekasaran permukaan, dan meningkatkan sifat antifouling.

Metode Inversi Fase

Metode ini, yang pertama kali diperkenalkan pada teknologi membran oleh Loeb dan Sourajan pada tahun 1960, memungkinkan pembuatan satu-langkah lapisan selektif dan lapisan pendukung. Struktur mikro membran dapat dikontrol dengan menyesuaikan konsentrasi polimer, jenis pelarut dan wadah koagulasi, aditif, dan kondisi lingkungan. Misalnya:

• membran PPSU yang didoping cGO-: Permeabilitas air meningkat dari 2,1 menjadi 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, dengan tingkat penolakan sebesar 99%, 98%, 82%, 82%, dan 87% untuk H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺, dan Zn²⁺, masing-masing.
• Membran CS-EDTA-mGO/PES (dibantu medan magnet): Fluks air mencapai 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, tingkat penolakan Pb²⁺ 98,2%, tingkat penolakan Cd²⁺ 93,6%
• B-Membran nanopartikel/PES saat ini: Tingkat penolakan melebihi 99% untuk Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, dan Ni²⁺

Metode polimerisasi antarmuka

Polimerisasi antarmuka adalah salah satu teknik preparasi membran nanofiltrasi yang paling banyak digunakan. Ini melibatkan perendaman membran substrat dalam larutan berair yang mengandung monomer amina, diikuti dengan mengontakkannya dengan larutan organik yang mengandung monomer asil klorida, membentuk lapisan poliamida ultra tipis pada antarmuka. Monomer yang umum digunakan adalah piperazine dan trimesoil klorida.

• Nanopartikel COF-membran poliamida yang didoping: Permeabilitas air meningkat sebesar 67% (menjadi 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), dengan tingkat penolakan Cu²⁺, Mn²⁺, dan Pb²⁺ masing-masing sebesar 98,3%, 98,4%, dan 91,9%.
• Partisipasi komonomer BHDA dalam polimerisasi antarmuka: Fluks air meningkat 2,4 kali lipat (menjadi 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), dengan tingkat penolakan Cu²⁺, Zn²⁺, dan Pb²⁺ masing-masing sebesar 96,5%, 96,2%, dan 88,4%.
• Polimerisasi antarmuka suhu-rendah (-15 derajat ): Ketebalan membran menurun, dan fluks air mencapai 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, tingkat retensi untuk Mn²⁺, Cd²⁺, dan Cu²⁺ masing-masing adalah 97,9%, 87,7%, dan 93,9%.

Celupkan-metode pelapisan

Metode pelapisan celup ini mudah dioperasikan, ekonomis, efisien, bebas limbah, dan hemat energi. Substrat direndam dalam larutan bahan aktif dan didiamkan selama beberapa waktu, kemudian ditarik ke atas dengan kecepatan konstan, sehingga pelarut dapat menguap dan membentuk lapisan film.

• Membran PEI yang terhubung silang-muatan positif (substrat keramik): Fluks air meningkat dari 32 menjadi 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, dengan tingkat penolakan sebesar 99,8% untuk Cu²⁺, 96,8% untuk As⁵⁺, dan 97,2% untuk Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95% untuk Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, dan Ni²⁺.
• Membran kompleks PEI/Cu²⁺ pra-: Fluks air 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, tingkat retensi untuk Zn²⁺, Ni²⁺, dan Cd²⁺ masing-masing adalah 91,8%, 83,2%, dan 75,6%.

Modifikasi/Fungsionalisasi Permukaan

Modifikasi permukaan dapat membentuk lapisan ultra tipis pada permukaan membran nanofiltrasi, sekaligus meningkatkan selektivitas dan permeabilitas.

• 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% untuk Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, dan Cu²⁺, dan tingkat penolakan 92% untuk Pb²⁺.
• Membran PES yang dimodifikasi CNFs-co-Cs: Fluks air meningkat dari 4,25 menjadi 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95% untuk Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, dan Ni²⁺.

Teknologi membran nanofiltrasi telah membuat kemajuan signifikan dalam bidang penghilangan ion logam berat. Dengan memilih bahan membran dan proses persiapan secara rasional, struktur mikro membran nanofiltrasi dapat dikontrol, secara signifikan meningkatkan fluks air dan tingkat penolakan ion logam berat.

Arah Pembangunan Masa Depan:

• Selektivitas Ion: Di-air yang tercemar di dunia nyata, banyak ion logam hidup berdampingan. Penting untuk mengembangkan membran nanofiltrasi yang mampu secara selektif menahan ion logam tertentu untuk mencapai tujuan ganda yaitu pemurnian air dan pemulihan logam.
• Stabilitas Membran: Penelitian saat ini memiliki siklus pengujian yang pendek, dan kinerja sebagian besar membran menurun seiring waktu. Tautan silang-lebih lanjut atau pengenalan nanopartikel anorganik yang stabil diperlukan untuk meningkatkan stabilitas membran.
• Kinerja Antifouling: Pengotoran membran merupakan tantangan umum dalam teknologi membran. Rekayasa permukaan (seperti membangun permukaan bermuatan positif untuk membentuk lapisan air) diperlukan untuk mengurangi atau mencegah adsorpsi polutan.
• Mode Pengoperasian: Sebagian besar penelitian menggunakan-filtrasi buntu, mengabaikan masalah adsorpsi ion logam di dalam membran. Aplikasi industri memerlukan-mode operasi lintas aliran, dan lebih banyak perhatian harus diberikan pada-kinerja membran jangka panjang dalam mode ini.