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Natureza Água (2023)Cite este artigo
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Uma chave para a gestão sustentável de águas residuais salinas ricas em orgânicos é fracionar com precisão os componentes orgânicos e os sais inorgânicos (NaCl) como recursos individuais. Os processos convencionais de nanofiltração e eletrodiálise sofrem incrustações na membrana e comprometem a eficácia do fracionamento. Aqui desenvolvemos uma membrana nanoporosa composta de filme fino via codeposição de dopamina e polietilenoimina como uma membrana altamente condutora de ânions. Resultados experimentais e simulações de dinâmica molecular mostram que a codeposição de dopamina e polietilenoimina adapta efetivamente as propriedades da superfície da membrana, intensificando o efeito de proteção de carga e permitindo rápida transferência de ânions para eletrodiálise altamente eficiente. A membrana nanoporosa resultante exibe fracionamento eletrodialítico sem precedentes de produtos orgânicos e NaCl com incrustações de membrana insignificantes, superando dramaticamente as membranas de troca aniônica de última geração. Nosso estudo lança luz sobre o projeto fácil de membranas condutoras de ânions de alto desempenho e novos mecanismos de transporte de massa associados na separação eletrodialítica, abrindo caminho para o gerenciamento sustentável de fluxos de resíduos complexos.
Para promover emissões líquidas zero de carbono para uma economia circular, os actuais processos de tratamento de águas residuais necessitam urgentemente de uma mudança de paradigma da remoção convencional de contaminantes para a recuperação de recursos, por exemplo, energia, nutrientes, biomassa e outros subprodutos de elevado valor acrescentado que vão além da água recuperação por osmose reversa1,2,3,4,5. Um grande desafio no tratamento de águas residuais é a gestão de fluxos de resíduos salinos ricos em orgânicos produzidos numa ampla gama de setores industriais, tais como processamento têxtil, curtumes, processamento de alimentos, indústria de petróleo e gás, fábricas de papel e fabricação farmacêutica6,7,8 ,9. Portanto, é importante fracionar eficazmente os sais orgânicos e inorgânicos (por exemplo, NaCl) utilizando tecnologia de separação inovadora e avançada para recuperar de forma sustentável recursos preciosos destes fluxos de resíduos salinos ricos em orgânicos10.
As tecnologias de separação baseadas em membranas oferecem oportunidades para gerir eficazmente estes fluxos de resíduos salinos ricos em matéria orgânica. Por exemplo, a nanofiltração está entre as tecnologias de membrana acionadas por pressão mais amplamente utilizadas para peneirar produtos orgânicos com pesos moleculares (MWs) de 200–1.000 Da e sais inorgânicos de fluxos de resíduos salinos ricos em orgânicos com base nos efeitos sinérgicos de exclusão de tamanho e eletrostática. repulsão utilizando membranas nanoporosas de compósito de película fina (TFC), que retêm os orgânicos, mas permitem parcialmente a transmissão de sais inorgânicos11,12,13,14,15,16. No entanto, a pressão osmótica elevada, a incrustação da membrana e a polarização da concentração aumentada pelo bolo experimentada no processo de nanofiltração acionado por pressão induzem um declínio prejudicial do fluxo da membrana, minimizando assim a eficiência de separação dos sais orgânicos e inorgânicos . Além disso, o procedimento de nanofiltração-diafiltração sob pressão deve ser implementado com alto consumo de água pura para alcançar o fracionamento de sais orgânicos e inorgânicos, que inevitavelmente sofre uma perda considerável dos orgânicos alvo e, assim, reduz a produtividade do sistema .
Como uma abordagem alternativa à nanofiltração, a eletrodiálise é proposta como uma rota para dessalinizar as águas residuais salinas ricas em orgânicos, o que permite que cátions e ânions sejam transferidos através de membranas de troca catiônica (CEMs) e membranas de troca aniônica (AEMs) sob um campo elétrico de corrente contínua21 ,22,23. No entanto, a maioria dos compostos orgânicos com cargas negativas nas águas residuais salinas ricas em orgânicos migram para os AEMs através da atração eletrostática, o que deteriora a incrustação da membrana durante o processo de eletrodiálise, limitando significativamente a eficiência de transferência dos ânions e comprometendo o fracionamento do sais orgânicos e inorgânicos.