L'effet de protection permet un transfert rapide d'ions à travers une membrane nanoporeuse pour une énergie élevée

Eau Nature (2023)Citer cet article

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La clé de la gestion durable des eaux usées salines riches en matières organiques consiste à fractionner avec précision les composants organiques et les sels inorganiques (NaCl) en tant que ressources individuelles. Les procédés conventionnels de nanofiltration et d'électrodialyse souffrent d'un encrassement des membranes et compromettent l'efficacité du fractionnement. Ici, nous développons une membrane nanoporeuse composite à couche mince via le co-dépôt de dopamine et de polyéthylèneimine en tant que membrane hautement conductrice d'anions. Les résultats expérimentaux et les simulations de dynamique moléculaire montrent que le co-dépôt de dopamine et de polyéthylèneimine adapte efficacement les propriétés de surface de la membrane, intensifiant l'effet de protection contre les charges et permettant un transfert rapide d'anions pour une électrodialyse hautement efficace. La membrane nanoporeuse résultante présente un fractionnement électrodialytique sans précédent des matières organiques et du NaCl avec un encrassement négligeable de la membrane, surpassant considérablement les membranes échangeuses d'anions de pointe. Notre étude met en lumière la conception simple de membranes conductrices d'anions hautes performances et les nouveaux mécanismes de transport de masse associés dans la séparation électrodialytique, ouvrant la voie à une gestion durable des flux de déchets complexes.

Pour progresser vers une émission nette de carbone nulle dans le cadre d’une économie circulaire, les processus actuels de traitement des eaux usées doivent de toute urgence changer de paradigme, passant de l’élimination conventionnelle des contaminants à la récupération des ressources, par exemple l’énergie, les nutriments, la biomasse et d’autres sous-produits à haute valeur ajoutée qui se trouvent au-delà de l’eau. valorisation par osmose inverse1,2,3,4,5. L’un des grands défis du traitement des eaux usées est la gestion des flux de déchets salins riches en matières organiques produits dans un large éventail de secteurs industriels, tels que la transformation textile, les tanneries, la transformation alimentaire, l’industrie pétrolière et gazière, les usines de papier et la fabrication pharmaceutique6,7,8. ,9. Par conséquent, il est important de fractionner efficacement les sels organiques et inorganiques (par exemple NaCl) à l’aide d’une technologie de séparation innovante et avancée afin de récupérer durablement les précieuses ressources de ces flux de déchets salins riches en matières organiques10.

Les technologies de séparation par membrane offrent des opportunités pour gérer efficacement ces flux de déchets salins riches en matières organiques. Par exemple, la nanofiltration fait partie des technologies de membranes à pression les plus largement utilisées pour tamiser les matières organiques avec des poids moléculaires (MW) de 200 à 1 000 Da et les sels inorganiques provenant des flux de déchets salins riches en matières organiques, sur la base des effets synergiques de l'exclusion de taille et de l'électrostatique. répulsion à l'aide de membranes nanoporeuses composites à couches minces (TFC), qui retiennent les matières organiques mais permettent partiellement la transmission des sels inorganiques11,12,13,14,15,16. Cependant, la pression osmotique élevée, l’encrassement de la membrane et la polarisation de concentration améliorée par le gâteau rencontrés dans le processus de nanofiltration induit par la pression induisent une diminution néfaste du flux membranaire, minimisant ainsi l’efficacité de séparation des sels organiques et inorganiques17,18,19. De plus, la procédure de nanofiltration-diafiltration sous pression doit être mise en œuvre avec une consommation élevée d'eau pure pour réaliser le fractionnement des sels organiques et inorganiques, ce qui souffre inévitablement d'une perte considérable de matières organiques cibles et réduit ainsi la productivité du système10,20.

Comme approche alternative à la nanofiltration, l'électrodialyse est proposée comme voie de dessalement des eaux usées salines riches en matières organiques, ce qui permet aux cations et aux anions d'être transférés à travers des membranes échangeuses de cations (CEM) et des membranes échangeuses d'anions (AEM) sous un champ électrique à courant continu21. ,22,23. Néanmoins, la plupart des composés organiques chargés négativement dans les eaux usées salines riches en matières organiques migrent vers les AEM par attraction électrostatique, ce qui aggrave l'encrassement de la membrane pendant le processus d'électrodialyse, limitant considérablement l'efficacité du transfert des anions et mettant en péril le fractionnement des anions. sels organiques et inorganiques.

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>