シールド効果により、ナノ多孔質膜を介した高速イオン移動が可能になり、高エネルギーが得られます。

Dec 18, 2023

Nature Water volume 1、725–735 ページ (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

塩分を含む有機物が豊富な廃水の持続可能な管理の鍵は、有機成分と無機塩 (NaCl) を個々の資源として正確に分別することです。従来のナノ濾過および電気透析プロセスでは膜の汚れが問題となり、分別効率が損なわれます。今回我々は、ドーパミンとポリエチレンイミンを共蒸着することにより、陰イオン伝導性の高い膜として薄膜複合ナノ多孔質膜を開発した。実験結果と分子動力学シミュレーションにより、ドーパミンとポリエチレンイミンの共堆積により膜表面特性が効果的に調整され、電荷遮蔽効果が強化され、高効率電気透析のための高速アニオン移動が可能になることが示されています。得られたナノ多孔質膜は、膜汚れがほとんどなく、有機物と NaCl の前例のない電気透析分別を示し、最先端の陰イオン交換膜を劇的に上回ります。私たちの研究は、電気透析分離における高性能陰イオン伝導性膜とそれに関連する新しい物質輸送メカニズムの容易な設計に光を当て、複雑な廃棄物の流れの持続可能な管理への道を開きます。

循環経済に向けたネットゼロ炭素排出を推進するために、現在の廃水処理プロセスでは、従来の汚染物質除去から、エネルギー、栄養素、バイオマス、その他水を超えた付加価値の高い副産物などの資源回収へのパラダイムシフトが緊急に必要とされています。逆浸透による再生1、2、3、4、5。廃水処理における大きな課題の 1 つは、繊維加工、皮なめし工場、食品加工、石油・ガス産業、製紙工場、医薬品製造などの幅広い産業分野で生成される塩分を含む有機物が豊富な廃棄物の管理です6、7、8。、９．したがって、これらの塩分を含む有機物が豊富な廃棄物の流れから貴重な資源を持続的に回収するには、革新的で高度な分離技術を使用して有機塩と無機塩 (NaCl など) を効果的に分別することが重要です10。

膜ベースの分離技術は、これらの塩分を含む有機物が豊富な廃棄物の流れを効果的に管理する機会を提供します。たとえば、ナノ濾過は、サイズ排除と静電気の相乗効果に基づいて、塩水有機物が豊富な廃棄物の流れから分子量 (MW) 200 ～ 1,000 Da の有機物と無機塩をふるい分けるために、最も広く使用されている圧力駆動膜技術の 1 つです。ナノ多孔質薄膜複合体（TFC）膜を使用した反発。有機物は保持されますが、部分的に無機塩の透過が可能になります11、12、13、14、15、16。しかし、圧力駆動ナノ濾過プロセスで経験される浸透圧の上昇、膜ファウリング、ケーキによる濃度分極は有害な膜流束の低下を引き起こし、それによって有機塩と無機塩の分離効率が最小限に抑えられます17、18、19。さらに、有機塩と無機塩の分別を達成するには、圧力駆動のナノろ過 - ダイアフィルトレーション手順を大量の純水の消費とともに実行する必要がありますが、これにより目的の有機物の大幅な損失が避けられず、システムの生産性が低下します10,20。

ナノろ過の代替アプローチとして、電気透析が塩分を含む有機物が豊富な廃水を脱塩するルートとして提案されています。これにより、直流電場下で陽イオンと陰イオンを陽イオン交換膜 (CEM) および陰イオン交換膜 (AEM) を通して移動させることができます 21 、22、23。それにもかかわらず、塩分を含む有機物が豊富な廃水中の負電荷を持つほとんどの有機化合物は、静電引力によって AEM に移動し、電気透析プロセス中の膜の汚れを悪化させ、陰イオンの移動効率を大幅に制限し、アニオンの分別を危険にさらします。有機塩と無機塩。

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>

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