ההשפעה של אוסמוזה הפוכה על הסרת מתכת כבדה מן המים

הגישה למים נקיים היא צורך אנושי בסיסי, אך זיהום מתכת כבד מאיים על אספקת מים ברחבי העולם.מריצה תעשייתית צינורות ההזדקנות, להוביל, ארסן, כספית, קדמיום, ו chromium יכול לחדור לתוך מקורות מים, גרימת בעיות בריאותיות חמורות כולל נזק נוירולוגי, כשל כליות, וסרטן. Reverse osmosis (RO) התפתחה כאחד הטכנולוגיות היעילות ביותר עבור טיפול מתכתי זה על ידי מערכת ריכוז כבד.

מה זה דיסאומוזיס הפוכה?

osmosis הפוכה הוא תהליך של הפרדה מונע לחץ.זה הופך את זרימת טבעי של אוסמוזה על ידי הפעלת לחץ חיצוני כדי להתגבר על לחץ אוסמוטי, מה מכריח מים מפתרון מרוכז יותר לאחד פחות מרוכז.לב המערכת הוא סרט דק מורכב (TFC) ממטר עם כ 0.0001 קוטרים - קטן מספיק כדי לפזר, מולקולות מים כבדים, ומאפשרים לנגיפים כבדים.

(ה) מערכות RO כוללות בדרך כלל מספר שלבים: FLT:0 (Pre-filtrationFLT) 1:1 כדי להסיר את המשקעים ואת כלור; ה-FLT:2membraneofLT 3 שבו מתרחשת דחייה; ו-FLT:4post-filtrationFLT:5 עבור שימת אחסון והגבלת לחץ ומוצרים איכותיים מסייע להסביר את הרכיבים האלה באופן כה יעיל נגד RO.

כמה מתכת כבדה נכנסת למים

(המתכות הכבדות מגיעות למים דרך נתיבים טבעיים ואנתרופולוגיים (FLT:0) מקורות בלתי רוויים של אנדרל 1 כוללים פיקדונות מינרלים, פעילות געשית, ועיכובים של סלעים המכילים ארסן, מוביל או כספית.FLT:2 מקורות אנתרופוגניים של דם 3LT) באזורים רבים: פריקות תעשייתיות (אלקטרוניקה, כריית, כריית, ייצור מקושר), פריפטים חקלאיים (Flasticial) ו-Fross)

מכניזם של מתכת כבדה נשלל על ידי Reverse Osmosis

RO מסיר מתכות כבדות באמצעות מנגנונים פיזיים וכימיקליים רבים הפועלים בקונצרט:

גודל עודף

המנגנון העיקרי הוא (FLT:0) אי הכללה בגודל של ULFLT:1 מולקולות מים (כ- 0.275 nm בקוטר) בקלות לעבור דרך המזכר, בעוד שמושגים מתכת כבדים מוייבים הם הרבה יותר גדולים - למשל, Pb2+ (lead) יש רדיוס מכווצ סביב 0.401 nm, ו-(V) הוא אפילו גדול יותר, כמו אדים מולקולריים, כמו ⁇ , כמו .

המונחים: repulsion

רוב ה-RO membranes לשאת מטען על פני השטח שלילי pH. ציוני מתכת כבדים הם חיובי מואשם, כך ש- FLT:0electrostatic repulsionFLT:1 בין membrane ו cations משפר את הדחייה. תאוריה של הדרה דונן מסבירה כי co-ions (של אותו מטען כמו membrane) מופצים, בעוד שנגד נמשכים אך חייב לשמור על אלקטרואקטיביות, למעשה חסימת אלקטרון.

אדים ו Diffusion

כמה מתכות כבדות בתחילה מודעות על פני השטח של membrane או בתוך הממטריקס פולימרי שלה.Over time, מודל פתרון-Diffusion למשול תחבורה: מים מתמוססים לתוך משטח membrane, diffuses דרך, ו desorbs בצד permeate. מתכות כבדות יש דיפרנות נמוכה בחומר membrane, כך שהם נשארים בצד מתקדם.

שיפור הטיפול

(ב) למערכות RO רבות יש צעדים מוקדמים אשר מגבירים את הסרת המתכת הכבדה (FLT:0) פילטרים פחמן מעובדים של פחמן פילטרים 1:1 יכול לפרסם מתכות לפני שהם מגיעים למזכרה:2 רמונים מים מלוטשים 3:3 להסיר סידן ומגנזיום אשר עלולים אחרת להטריד את המחבט.

יעילות של verse Osmosis עבור מתכת כבדה ספציפית

מחקר מראה באופן עקבי כי RO משיג שיעורי דחייה גבוהים עבור מתכות כבדות ביותר.סקירה של הארגון לבריאות הציבור:0World Health OrganizationFLT:1 מציין כי RO יכול לייצר ערכי הדרכה מחמירים.

ראשי (Pb)

מוביל הוא נוירוטוקסין המצטברת ברקמות העצם והרכה. RO מערכות בדרך כלל להסיר 97-99% מהעופרת, צמצום רמות ממאות מיקרוגרם / L עד מתחת לרמת הפעולה של 15 מיקרוגרם / L.ההההסרה הגבוהה היא בשל גודל יעיל וההסרה מטען.

ארסן (As)

Arsenic קיים בעיקר כ- AS(III) (arsenite) ו- AS(V) (arsenate) As(V) הוא גדול יותר ושגוי יותר, ולכן RO מסיר אותו ביעילות (95-99%). As(III) הוא קטן וניטראלי, וכתוצאה מכך הסרה נמוכה (60-80%) אלא אם כן הוא מודבק מראש עם כלור אוזון.

מרקורי (Hg)

מרקורי מתרחש כצורות אלמנטריות, אורגניות ואורגניות.כספית איורגנית (Hg2+) מוסרת ב > 95% יעילות כספית אלמנטלית היא נדירה במים, אך ניתן להחמצן ולהסיר.

קדימיום (Cd)

קדימיום הוא קרcinogen כי נזק לכליות ולעצמות. RO משיג 95-98% דחיית צנייני קדמיום.מחקרים מראים כי קרום עם פצעים הדוקים יותר (למשל, מי הים RO membranes) יכול להגיע > 99% הסרה.

Chromium (Cr)

Hexavalent chromium (Cr(VI) ו- trivalent chromium (Cr(III) הם מסוכנים.RO מסיר Cr(VI) ב 90-98% יעילות, בעוד Cr(III) קל יותר להסיר (>98%) כי הוא יוצר קומפלקסים חד-חמצני גדולים יותר ב- pH נייטרלי.

גורמים המשפיעים על מתכת כבדה

בעוד RO הוא יעיל מאוד, כמה גורמים כימיים תפעוליים ומים משפיעים על הביצועים:

  • (FLT:0)Feed Water pH:FLT:1 כבד מתכת speciation שינויים עם pH.לדוגמה, ב pH נמוך, מתכות יכולות להתקיים כצלחות חינם עם ניידות גבוהה יותר. at alkaline pH, הידרוקסידים מתכתיים precipitates עשויים להיווצר, אשר ניתן לדחות אך עשוי גם להטריד את המריבה.
  • (FLT:0) בלחץ גובר לחץ גבוה יותר על זרימת permeate אבל יכול גם להגדיל את מעבר מלח עבור כמה membranes.converse, לחץ גבוה יותר עשוי לשפר את דחיית מינים פחות חד-משמעיים.
  • (FLT:0) Temperature:FLT:1 , מהירויות מים יורדות עם טמפרטורה, הגדלת פלוקס. עם זאת, תכונות פולימרים membrane משתנות, עלולות להפחית את הדחייה. רוב מערכות RO פועלות בין 15-30 מעלות צלזיוס לביצועים יציבים.
  • (FLT:0) חומר וחומרי צריבה: אנדרט 1 (DueFLT:1) די-סרט מורכב מלמברנס בדרך כלל מפורמת צלולוזים (Brackish water RO membranes) הם יעילים יותר מאשר ננומטרה להסרת מתכת כבדה, אך דורשים לחץ גבוה יותר.
  • (FLT:0) ריכוז הקיטוב: FLT:1) ,התאוששות של בצלים דחופים ליד פני השטח של הקרום מגבירה את הלחץ האומטי המקומי ומפחיתה את כוח הנהיגה האפקטיבי, הורדת מהירות זרימת הדם הנכונה מקטין את זה.
  • (FLT:0) ניהול בצלים:FLT:1 נוכחות של מוצקים מתמוססים אחרים (calcium, מגנזיום, נתרן) יכול להתחרות באתרי דחייה ולשנות את מטען פני השטח של membrane. בעוד RO עדיין מסיר מתכות כבדות היטב, סולמות גבוהה מתמוססות מוצקות (TDS) עשוי להפחית את היעילות מעט.

השוואה עם טכנולוגיות מתכת כבדות אחרות

מספר טכנולוגיות להתחרות עם RO על הסרת מתכת כבדה.הבנת נקודות חוזק יחסית עוזר למחנכים להקשר תפקידו של RO:

  • (FLT:0) החלפת:00Ion חילופי: 1FLT) שימוש ב-hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh
  • (FLT:0) הפעלת מודעות פחמן: 1FIRLT 1 גדול עבור contaminants אורגני וכמה מתכות (lead, כספית) אבל מותשת במהירות בריכוזי מתכת גבוהים. RO מספק הסרת רציף ללא משיכה עבור מושגים מתמוססים.
  • (ב) ⁇ :0 (החלת:0) ⁇ מים ומזל קיטור, משאירים מתכות מאחור. Achieves > 99% הסרה אבל הוא אנרגיה אינטנסיבית, איטי, ואימפולסיבי לכרכים גדולים.
  • (FLT:0) זיהום: התפלגות: ההרחבה: 1 (FeloLT:1) מוסיפה כימיקלים למניעת מתכות כמו הידרוקסידים או סולפטנים, ואז מסננים היטב לריכוזים גבוהים, אך לא יכולים לעמוד בסטנדרטים של שתיית מים עבור מתכות ללא טיפת.
  • (FLT:0)Nanofiltration:FLT:1rea דומה ל-RO אבל עם פופר גדול יותר (0.001-0.01 μm) מסירים בצלים רב-ערך (כולל מתכות כבדות) אך מאפשר כמה מושגים מונו-ערך ומזהמים קטנים יותר לעבור.

בעוד שלכל שיטה יש נישות, RO מציע את האיזון הטוב ביותר של הסרתספקטרום רחב, אנרגיה נמוכה יחסית לזיקוק, ופעולה רציפה ללא דום כימי, מה שהופך אותו תקן זהב עבור מערכות שימוש וקטנות בקנה מידה קטן.

תגיות RO עבור מתכת כבדה

אתר נופש Point-of-Use Systems

מערכות RO מתחת לsink פופולריות בבתים הנוגעים לעופרת, ארסן או מתכות אחרות.אלה בדרך כלל כוללים מסנן סימנט, בלוק פחמן, RO membrane ופילטר לאחר פחמן.הם להפחית מתכות כבדות לרמות שאינן חד-פעפיים וגם לשפר את הטעם על ידי הסרת כלורין ו- TDS. הסמכה על ידי FLT:0 NSFLT בינלאומי מבטיח מערכות ANFites / NSFites עבור הפחתה סטנדרטית 58 / NSFID.

טיפול במים עירוניים

צמחים גדולים RO מתייחסים למים קרקעיים או למים על פני השטח המזוהמים עם אשורים ארסן או תעשייתיים טבעיים.לדוגמה, ערים בדרום-מערב ארה"ב ומדינות מתפתחות משתמשות ב-RO כדי לעמוד בסטנדרטים של מים לשתייה בטוחה.האתגר העיקרי הוא לרשות, אך ההתקדמות בטכנולוגיה עתירה גבוהה מצמצם את הפסולת.

טיפול תעשייתי

תעשיות כגון אלקטרו-plating, כרייה, וייצור אלקטרוניקה לייצר פסולת עם עומסי מתכת כבדים גבוהים. מערכות RO מתרכזות מתכות לשיקום או לרשות בטוחה, המאפשרות שימוש במים.מערכות RO סגור-loop סגור להפחית את האחריות הסביבתית ואת צריכת מים מתוקים.

חירום ואסון הקלה

יחידות של RO אלקטרוניקה פרוסות באזורים שנפגעו מאסונות טבע שבהם מקורות מים עשויים להיות מזוהמים עם מתכות כבדות מפני נזק תשתיות או שיטפונות. ארגונים צבאיים והומניטאריים משתמשים במערכות RO קומפקטיות לפעילות שדה.

הגבלות ושיקולים

למרות היתרונות שלה, RO יש חסרונות בולטים כי מחנכים צריכים לדון:

פסולת מים

מערכות RO מסורתיות דוחות 3-5 גלונים של מים עבור כל גלון המיוצר (שיעורי התגלות של 15-30%) זה מכיל מתכות כבדות ויש להיפטר מהם באחריות.מודלים של יעילות גבוהה יותר להשיג 50% או התאוששות גבוהה יותר, צמצום נפח הפסולת.עם זאת, ההשפעה הסביבתית של לרשותם לתפירה או למים היא דאגה, במיוחד עבור מתקנים בקנה מידה גדול.

Membrane Fouling and Scaling

מתכות כבדות יכולות להחמיא או מודעות על קרום, מה שגורם ל-FLT:0foulatingFLT:1 אשר מפחית את השטף ודחייה, ומגדיל את הלחץ התפעולי של סידן או מגנזיום קורה גם. ניקוי רגיל עם חומצות, בסיסים, או סוכנים ממריצים הוא הכרחי, הוספת עלויות תפעוליות וירידה של מים עם מרעילים או ממרוזמים.

עלויות עלויות עלויות

ההתקנה הראשונית של מערכת RO יכולה לנוע בין 200 דולר ליחידה בסיסית מתחת ל- sink למיליונים עבור צמחים תעשייתיים. mbranes החלפת עלות $ 50- 200 $ 2-5 שנים האחרונות בהתאם לאיכות המים.עלויות האנרגיה עבור משאבה לחץ (50-150 psi) הם צנועים אך לא רשלנות. עבור משקי בית, העלות של גלון של מים RO היא בדרך כלל $ 5, 000, עם מים תחרותיים.

מקור: Benefical מינרלים

RO הוא לא אלקטרוניקה ומסיר מינרלים מועילים כמו סידן ומגנזיום יחד עם מתכות כבדות. כמה מומחי בריאות טוענים כי צריכת מים מחוסנים לטווח ארוך עשויה לתרום למחסור מינרלים.מערכות רבות כוללות מחסנית של החייאה או תערובת של מים RO עם מים עקפים כדי לשחזר מינרלים חיוניים.

דרישות תחזוקה

החלפת רגילה של pre-filters, מסנני פחמן, ואת membrane הוא קריטי.כישלון כדי לשמור על המערכת יכול להוביל לצמיחה חיידקית על קרום או פריצת דרך של contaminants. משתמשים חייבים לעקוב אחר לוח הזמנים של היצרן ובדיקת מים מעת לעת.

פיתוח: RO טכנולוגיה עבור מתכת כבדה

מחקרים מתקדמים נועדו להתגבר על מגבלות מסורתיות.חדשנות מפתח כוללת:

  • (FLT:0)Thin-film nanocomposite membranes:FLT:1 Embedding nanoparticles (למשל, zeolites, פחמן ננוtubes, מסגרות מתכת-אורגניות) בשכבה פולימיד משפר את יכולת המים ואת בחירת המתכת הכבדה.
  • (FLT:0) osmosis מערכות היברידיות: ⁇ 1 (השתמש בפתרון שואב כדי למשוך מים דרך הממברגן מפחית אנרגיה וטעון בהשוואה ל-RO מונחה בלחץ בשילוב עם לולאה של ניוון, מערכות אלה יכולות לטפל במים גבוהים עם פחות פסולת.
  • (FLT:0) Electrostatic משופרת RO:FLT:1 החל שדה חשמלי על פני הקרנבלן מגביר את ההנעה של סטיות מתכת, שיפור דחייה ללא לחץ גובר.גישה זו עדיין בפיתוח, אך מראה הבטחה למתכות קשות למול קשה כמו AS(III).
  • (FLT:0) שינוי פני השטח: FLT:1 Grafting פולימרים הידרופיליים או קבוצות zwitterionic להפחית את ההונאה ומשפר את הדחייה.ביו בהשראת membranes באמצעות חלבונים aquaporin להשיג ליד סלקטיבות מושלמת למים על פני צל, פוטנציאל מהפכה של RO.

השלכות סביבתיות ובריאות

אימוץ נרחב של RO להסרת מתכת כבדה יש יתרונות בריאותיים ציבוריים משמעותיים. בבנגלדש, שבו אדליני מים קרקעיים משפיע על מיליונים, RO מסננים לספק מים לשתייה בטוחה ולהפחית את שכיחות הסרטן.בפלנט, מישיגן, לאחר משבר המים, מערכות RO היו מחולקות לבתים עם זיהום מוביל.עם זאת, העלות הסביבתית של סילוק יתר ופסולת מנבראית חייבת להיות שקולה.

מחנכים יכולים להשתמש ב-RO כדוגמה בעולם האמיתי של איך כימיה, פיזיקה והנדסה לפתור בעיות חברתיות דחופות.המאזן בין יעילות, עלות וקיימות הופך אותו לנושא עשיר עבור תוכניות הלימודים STEM.

מסקנה

אוסמוזה הפוכה עומדת כאחת הטכנולוגיות האמינות והנפוצות ביותר להסרת מתכות כבדות מן המים.המנגנונים הכפולים של הדרה בגודל ודחייה להשיג שיעורי הסרת מעל 95% עבור מוביל, ארסן, כספית, קדמיום, ו chromium בתנאים אופטימליים, בעוד אתגרים כגון פסולת מים, רעיה, ועלויות מתמידות, חידושים מתמשכת בחומרי מלמבריה ועיצוב ממשיכים לביצועים ולשיפור החשיבות של התלמידים על פני איכות חיים וחיזוק האחריות.