Quelle est la puissance des membranes de nanofiltration pour l’élimination des métaux lourds ?

Le traitement de l’eau contaminée par des métaux lourds est un sujet brûlant dans le domaine environnemental. Une revue récente résume systématiquement les progrès de la recherche sur les membranes de nanofiltration dans l'élimination des ions de métaux lourds, révélant que grâce à l'innovation des matériaux et à l'optimisation des processus, le flux d'eau des membranes de nanofiltration peut être multiplié par plus de 3 et que le taux d'élimination de divers ions de métaux lourds tels que Cu²⁺, Pb²⁺ et Cd²⁺ peut atteindre plus de 99 %, offrant une solution efficace et durable pour le traitement de l'eau.

La crise mondiale de pénurie d’eau douce menace la vie de plus de 1,8 milliard de personnes. Cette situation difficile s’explique par deux raisons principales : premièrement, l’eau de mer représente la grande majorité des ressources mondiales en eau, alors que la quantité d’eau douce utilisable est limitée ; Deuxièmement, les rejets d’eaux usées entraînent une pollution de plus en plus grave des eaux douces. Bien que la technologie de dessalement de l'eau de mer ait fait des progrès significatifs ces dernières années, un excès d'ions de métaux lourds (tels que Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, etc.) présents dans les eaux usées peut contaminer l'eau dessalée, voire provoquer la mort en raison de leur accumulation et de leur toxicité dans le corps humain.

Par conséquent, le développement de technologies permettant d’éliminer efficacement les traces de métaux lourds toxiques des eaux polluées est particulièrement important, car cela peut simultanément atteindre deux objectifs : obtenir davantage d’eau douce et récupérer des ressources précieuses.

Les membranes de nanofiltration ont des tailles de pores comprises entre 0,5-2 nm, se situant entre les membranes d'ultrafiltration (10-100 nm, flux élevé mais faible rejet) et les membranes d'osmose inverse (rejet élevé mais faible flux, consommation d'énergie élevée). Les membranes de nanofiltration peuvent retenir efficacement les ions de métaux lourds tout en fournissant des canaux de transport pour les molécules d'eau à travers les nanopores, ce qui en fait une technologie de pointe pour le traitement des eaux usées contaminées par des métaux lourds.

Mécanismes de séparation :

Criblage dimensionnel : basé sur la différence de rayon entre les matériaux retenus et imprégnés. La taille des pores de la membrane de nanofiltration est supérieure au diamètre des molécules d'eau (0,4 nm), mais comparable au diamètre des ions de métaux lourds hydratés, ce qui permet une séparation efficace en ajustant la taille des pores.

Répulsion de Donnan : basée sur la répulsion électrostatique entre les ions et la surface de la membrane chargée. Les ions de métaux lourds sont généralement chargés positivement, donc une surface de membrane chargée positivement est plus propice à la rétention des ions polluants.

De plus, le pH de la solution d'alimentation affecte de manière significative les performances de la membrane : d'une part, il modifie la charge de surface et le degré de réticulation-du réseau polymère, affectant ainsi le taux de rejet et la perméabilité ; d’autre part, cela affecte l’état des ions métalliques.

Membranes organiques

Les membranes organiques sont généralement préparées à l'aide de matériaux polymères, tels que le polysulfone, l'acétate de cellulose, le fluorure de polyvinylidène, le polyéthersulfone, le polydiméthylsiloxane, le polyéthylène, le polycarbonate et le polyimide. Parmi ceux-ci, le polyamide est le matériau le plus largement utilisé dans la préparation des membranes de nanofiltration, présentant d'excellentes performances dans le dessalement de l'eau de mer.

Membranes inorganiques

Les membranes inorganiques possèdent une excellente stabilité chimique et thermique et peuvent former une structure poreuse uniforme. Des matériaux céramiques, du verre, des métaux, des zéolites, de la silice, des alliages de palladium et des matériaux bidimensionnels-ont été utilisés dans la préparation de membranes inorganiques. Les membranes céramiques sont fabriquées à partir d'oxydes métalliques et de leurs dérivés, tels que TiO₂, SiO₂, ZrO₂ et Al₂O₃.

Membranes matricielles hybrides
Les membranes à matrice hybride combinent l’aptitude à la mise en solution des polymères avec l’excellente perméabilité des additifs nanochargeurs, dans le but d’améliorer simultanément la perméabilité et la sélectivité. Les additifs couramment utilisés comprennent :

• MOF : lorsque le MOF NH₂-MIL-125(Ti) est incorporé à 0,010 % en poids, la perméabilité à l'eau atteint 12,2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ et le taux de rejet de Ni²⁺ est de 90,9 %.
• COF : Après incorporation de triazine hydrophile-COF, le flux d'eau atteint 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, et les taux de rejet de Zn²⁺ et Pb²⁺ sont respectivement de 93,8 % et 92,4 %.
• GO (matériau bi-dimensionnel) : Après incorporation du chitosane dans GO, le flux d'eau atteint 55 L·m⁻²·h⁻¹, et le taux de rejet de Mn²⁺ est de 85 %.
• Nanoparticules de ZnO : améliorent l'hydrophilie de la membrane, réduisent la rugosité de la surface et améliorent les propriétés antisalissure.

Méthode d'inversion de phase

Cette méthode, introduite pour la première fois dans la technologie des membranes par Loeb et Sourajan en 1960, permet la fabrication en une seule étape des couches sélectives et de support. La microstructure de la membrane peut être contrôlée en ajustant la concentration en polymère, le type de solvant et de bain de coagulation, les additifs et les conditions environnementales. Par exemple:

• Membrane PPSU dopée au cGO- : la perméabilité à l'eau est passée de 2,1 à 3,5 L·m⁻²·h⁻¹, avec des taux de rejet de 99 %, 98 %, 82 %, 82 % et 87 % pour H₂AsO₄, HCrO₄⁻, Cd²⁺, Pb²⁺ et Zn²⁺, respectivement.
• Membrane CS-EDTA-mGO/PES (assistée par un champ magnétique) : le flux d'eau a atteint 84,2. L·m⁻²·h⁻¹, taux de rejet Pb²⁺ 98,2 %, taux de rejet Cd²⁺ 93,6 %
• B-Membrane nanoparticules Cur/PES : taux de rejet supérieurs à 99 % pour Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ et Ni²⁺

Méthode de polymérisation interfaciale

La polymérisation interfaciale est l’une des techniques de préparation de membranes de nanofiltration les plus utilisées. Il s'agit d'immerger la membrane du substrat dans une solution aqueuse contenant des monomères aminés, puis de la mettre en contact avec une solution organique contenant des monomères de chlorure d'acyle, formant une couche de polyamide ultra fine à l'interface. Les monomères couramment utilisés sont la pipérazine et le chlorure de trimésoyle.

• Membranes en polyamide dopées aux nanoparticules COF - : la perméabilité à l'eau a augmenté de 67 % (à 10,8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), avec des taux de rejet de Cu²⁺, Mn²⁺ et Pb²⁺ de 98,3 %, 98,4 % et 91,9 %, respectivement.
• Participation des comonomère BHDA à la polymérisation interfaciale : le flux d'eau a augmenté de 2,4 fois (à 12,9 L·m⁻²·h⁻¹), avec des taux de rejet de Cu²⁺, Zn²⁺ et Pb²⁺ de 96,5 %, 96,2 % et 88,4 %, respectivement.
• Polymérisation interfaciale à basse température (-15 degrés) : l'épaisseur de la membrane a diminué et le flux d'eau a atteint 19,2. L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, les taux de rétention pour Mn²⁺, Cd²⁺ et Cu²⁺ étaient de 97,9 %, 87,7 % et 93,9 %, respectivement.

Méthode de revêtement par trempage-

La méthode de revêtement par immersion-est simple à utiliser, économique, efficace,-sans déchets et-économe en énergie. Le substrat est immergé dans la solution de matière active et laissé au repos pendant un certain temps, puis tiré à une vitesse constante, permettant au solvant de s'évaporer et de former un film.

• Membrane PEI réticulée -chargée positivement (substrat en céramique) : le flux d'eau a augmenté de 32 à 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, avec des taux de rejet de 99,8 % pour Cu²⁺, 96,8 % pour As⁵⁺ et 97,2 % pour Cr⁶⁺.
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >95 % pour Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ et Ni²⁺.
• Membrane pré-complexée PEI/Cu²⁺ : flux d'eau 8,1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, les taux de rétention pour Zn²⁺, Ni²⁺ et Cd²⁺ étaient de 91,8 %, 83,2 % et 75,6 %, respectivement.

Modification/fonctionnalisation de surface

La modification de la surface peut construire des couches ultrafines sur la surface de la membrane de nanofiltration, améliorant simultanément la sélectivité et la perméabilité.

• 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 % pour Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺ et Cu²⁺, et un taux de rejet de 92 % pour Pb²⁺.
• Membrane PES modifiée CNFs-co-Cs : flux d'eau augmenté de 4,25 à 13,58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >95 % pour Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ et Ni²⁺.

La technologie des membranes de nanofiltration a fait des progrès significatifs dans le domaine de l’élimination des ions de métaux lourds. En sélectionnant rationnellement les matériaux des membranes et les processus de préparation, la microstructure des membranes de nanofiltration peut être contrôlée, améliorant ainsi considérablement le flux d’eau et les taux de rejet des ions de métaux lourds.

Orientations de développement futures :

• Sélectivité ionique : dans l'eau polluée du monde réel, plusieurs ions métalliques coexistent. Il est nécessaire de développer des membranes de nanofiltration capables de retenir sélectivement des ions métalliques spécifiques pour atteindre le double objectif de purification de l’eau et de récupération des métaux.
• Stabilité des membranes : les recherches actuelles comportent des cycles de test courts et les performances de la plupart des membranes se détériorent avec le temps. Une réticulation supplémentaire-ou l'introduction de nanoparticules inorganiques stables est nécessaire pour améliorer la stabilité de la membrane.
• Performance antifouling : L’encrassement des membranes est un défi courant dans la technologie des membranes. L’ingénierie des surfaces (telle que la construction de surfaces chargées positivement pour former des couches d’eau) est nécessaire pour atténuer ou empêcher l’adsorption des polluants.
• Mode de fonctionnement : la plupart des études utilisent une filtration sans issue, négligeant le problème de l'adsorption des ions métalliques dans la membrane. Les applications industrielles nécessitent des modes de fonctionnement à flux croisés-, et une plus grande attention doit être accordée aux performances à long terme-des membranes dans ce mode.