גישה למים נקיים ובטוחים לשתייה נותרה אחד האתגרים הגלובליים הדוחקים ביותר.חומרים מתקדמים הופיעו כטכנולוגיית אבן הפינה במערכות סינון מים וטיהור, המציעה שליטה חסרת תקדים על הסרת חומרים מתקדמים אלה נועדו בקפידה ללכוד פתוגנים, כימיקלים, ובודדים אחרים, תוך מתן מים לזרימה יעילה יותר.

מה הם חומרים מסוכנים?

חומרים ⁇ ממונדסיים הם חומרים סינתטיים או משתנים טבעיים מאופיין על ידי רשת נשלטת מאוד, תלת-ממדית של pores. בניגוד מדיה מסנן קונבנציונלי, גודל הנקבוביות שלהם, צורה, הפצה, ופונקציונליות פני השטח נועדו בדיוק כדי לכוון contaminants ספציפיים.חומרים אלה יכולים להיגזר מפחמן פעיל, פולימרים מומסים, קרמיקה, מתכות, או מסגרות גבישיות.

הפיתוח של חומרים מהונדסים מבוסס על עשרות שנים של חומרים מדע וכימיה על פני השטח.פילטרים מים מוקדמים השתמשו חול פשוט ומיטות חמורות, אבל הנדסה מודרנית מאפשרת חומרים עם אזורי פני השטח מעל אלפי מטרים רבועים לגרם. אזור זה גבוה, בשילוב עם אדריכלות טונהפול פופר, מאפשר יכולות מודעות יוצאות דופן ואפקטים סינון.שדה ממשיך להתפתח עם פריצות דרך בטכנולוגיה, מסגרות ביו-אורגניות, עיצובים וגנטיים.

איך מהנדס חומרים מסוכנים עובד?

מנגנוני סינון וטיהור של חומרי ⁇ ממונדסים הם רב-פנים, להסתמך על אינטראקציות פיזיות, כימיות ואלקטרוסטטיות.הבנת מנגנונים אלה מסייעת לבחור את החומר הנכון עבור פרופיל מסוים.

  • (FLT:0Size עודף: FLT:1 פורסים לפעול כמו אחסים פיזיים, חסימת חלקיקים גדולים יותר מאשר קוטר pore.זהו המנגנון העיקרי של סינון membrane (מיקרופלציה, אולטרה-סינון, ננומטרה, ננומטרה) ו ⁇ קרמיקה מסננים (0.5-5 מיקרומטר), פרוזו (1-15 מיקרומטר), הם גם מושעה וירוסים בגודל של מטריה (0.1) ו-0.1) הם גם מסירים (מ"מ"מ"מ"מ"לוקסמים) ו-0.01) ו-0.01) ⁇ ).
  • (FLT:0)Adsorption: FLT:1 Contaminants לדבוק משטח הנקבוב הפנימי באמצעות כוחות ואן דר וואל, חיבור מימן, או משיכה אלקטרוסטטית.פעיל פחמן ידוע עבור פרסומות או תרכובות אורגניות, chlorine, טעם, ומולקולות מעוררות ריח. מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) יכולות להיות פונקציונליות למודעות או מתכות ספציפיות או רעילות אורגנית עם מולקולות אופטיות גבוהה.
  • (FLT:0) אינטראקציה אלקטרונית: FLT:1 תביעות על קירות עופות למשוך או דוחים contaminants. לדוגמה, משטחים membrane חיובי יכול ללכוד וירוסים וחיידקים טעונים שלילי, שיפור מעבר לגודל.עקרון זה משמש כמה מסננים מתקדמים וננומטרה מזכרות.
  • (FLT:0Catalytic Degradation:FLT:1) כמה חומרים ⁇ משלב חלקיקים קטליטיים (למשל, טיטניום דו-חמצני, כסף) כי decomposeמזהמים אורגניים או microאורגניזמים לא-מתאים כאשר נחשפים לאור או לחמצן כימי.
  • (FLT:0) Ion Exchange:FLT:1 חומרים פוריים כמו זאוליטים ו- MOFs מסוימים יכולים להחליף בצלים עם מים, הסרת קשיחות (calcium, מגנזיום) או מתכות כבדות (le, גולגולת) מנגנון זה חיוני בשבחוי מים וחלומי התאוששות מתכת.

סוגים של חומרים מסוכנים

המגוון של חומרים מהונדסיים מאפשר פתרונות מותאמים בכל הספקטרום של צרכי טיפול במים.כל סוג מציע יתרונות ברורים ויישומים אופטימליים.

פחם פעיל

פחמן מופעל הוא אחד החומרים הנפוצים ביותר של ⁇ מים עבור סינון מים.זה מיוצר ממקורות פחמן מופעלים (coal, קוקוס פגזים, עץ) באמצעות הפעלה תרמית או כימית, יצירת מבנה ⁇ מאוד עם אזורים של 500-2000 m2 / g. ה pores הם מסווגים כמיקרו-poular (תחת קיבולת פחמן), mesopores (2-50), ו- nm) עם חומרים מטבוליים (xic) ⁇ ) ⁇ (x) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מסננים membrane

מסננים של Membrane משתמשים בסרטים דקים, ⁇ עשויים פולימרים (polyethersulfone, PVDF, פולימיד) או קרמיקה.

  • (הופנה מהדף FLT:0Microfiltration (MF): FIRLT:1 ; פורים 0.1-10 μm, מסירים מוצקים מושעה, חיידקים, פרוזוזה.
  • (FLT:0)Ultrafiltration (UF): irFLT:1 0.01-0.1 μm, מסיר וירוסים, קולונואידים, ומאקרומולקולטים.
  • (ב) ⁇ :0)Nanofiltration (NF): irph:1 ; 1 nm, מסירים מושגים רב-ערך (Ca, Mg, sulfate), תרכובות אורגניות, וכמה חומרי הדברה המשמשים לרכך מים והסרת צבע.
  • (FLT:0) דיסמוזוזיס הפוכה (RO): LT:1 [לא ⁇ ] במובן המסורתי; משתמש בשכבה פולימרית צפופה שבה מים מתפוגגים, דוחים כמעט את כל המלחים המתמוססים, מתכות כבדות ומיקרואורגניזמים. RO הוא תקן לפלנציה וייצור מים מטוהר גבוה.

מנברנס דורש פעולה זהירה כדי להימנע מפגיעה, אשר ניתן להפחית על ידי טיפול, שטיפת גב וניקוי כימי. תצורה ספירל-קולית ונפיחות חלולה הם נפוצים יותר על טכנולוגיית membrane, ראה את FLT:0 American Water Works Association משאבים Association משאביםveFLT:1.

Metal-Organic Frameworks (MOFs)

מסגרות מתכת-אורגניות הן חומרים גבישיים המורכבים מצלומי מתכת או מקבץ המחוברים על ידי קישורים אורגניים, יצירת רשת קבועה, ⁇ .תכונה ההגדרה שלהם היא שטח משטח גבוה במיוחד (עד 7000 m2/g) וגודל טונה פעמוני טונה-1 וכימיה.MOFs יכול להיות מתוכנן ללכוד חומרים ספציפיים כגון להוביל, כספית, או perfluinofofinated חומרים, בעודם מסחרי (Fsy) אבל עדיין לפעול באופן נרחב, אך ורק עלות (Fsy) אופציונלית-Fsy) ו-Fsydation).

Ceramics

קרמיקה פורית עשויים מחומרים כמו אלומיניום, סיליקון קרביד, או אדמה דיאטומה, חטאים ליצור רשת נוקשה מקושרת, מתוחה, הם מציעים כוח מכני מעולה, יציבות תרמית, והתנגדות כימית, מה שהופך אותם אידיאליים עבור מצבים תעשייתיים קשים. פומפאו גדלים יכול להיות נשלטים במהלך ייצור nanometers למיקרומטרים ביתיים הם לעתים קרובות בשימוש microtration יקר וסרטן מים.

Zeolites

Zeolites הם טבעיים המתרחשים או מינרלים aluminosilicate סינתטי עם מבנה מיקרו-קידוד מוגדר היטב. pres שלהם הם מולקולרי בגודל (0.3-1.2 nm), המאפשר מודעות סלקטיבית המבוסס על גודל מולקולרי וצורה. Zeolites משמשים בדרך כלל עבור מים רכך (החלפת Ca2+ ו Mg2+) והסרת ammonia, מתכות כבדות, ומדורגמטית הם גם עבור טיפול zeolite.

Aerogels ו Xerogels

Aerogels הם אולטרה אור, חומרים ⁇ גבוהה (עד 99.8% אוויר) עם צפיפות נמוכה מאוד שטח פני השטח גבוה. הם בדרך כלל עשויים מסיליקה, פחמן, או פולימרים באמצעות עיבוד סולמות וייבוש סופר קריטי.מבנה הפודינג שלהם הוא בעיקר meso ⁇ (2-50 nm). סגסוגת מים עדיין יכול להיות פרסומות אורגניים ושמן, בעוד פחמן המיוצרים הם קיבולת דומה כי הם עדיין קיבולת ייצור איטי יותר.

יישומים ב- Water Filtration

חומרים מהונדסיים מונדסים בכל שרשרת הטיפול במים, מהגנת המקור ועד לברז ביתי.בחירה של החומר תלויה בנקודת המאגד, בזרם זרימה, בתנאי תפעול ובתקציב.

צמחים לטיפול במים עירוניים

מתקנים בקנה מידה גדול משתמשים שלבים מרובים של סינון. coagulation /flocculation מסירים מוצקים רבים, ואחריו מסננים מדיה granular (sand, anthracite) או membrane filtration. חומרים ממונדסים כמו פחמן מופעל (לטעם ושליטה ריח) ו microfiltration /ultrafilation membranes (עבור הסרת) הם סטנדרטיים עבור צינורות קסטרציה, לדוגמה, 000.

מסננים ביתיים Point-of-Use

מסנני בית לעתים קרובות משלבים פחמן מופעל עם resins או membrane שכבות. Pitcher מסננים (למשל, בריה) להסתמך על פחמן מופעל גרניט ו- ion-exchange resin כדי להפחית chlorine, להוביל, קשיחות.תחת מנגנונים של ⁇ עשוי לכלול חסימת שומן לפני סינון, פחמן מופעל, ו סגסוגת הפוכה של μmmmembran (לפעמים) הם קרמיקה.

טיפול בשפכים תעשייתיים

תעשיות מייצרות זרמי פסולת מורכבים המכילים מתכות כבדות, מפלט אורגני, שמנים וצבעים. פורוס קרמיקה משמשים עבור מי פסולת שמן מעובדי מתכת עיבוד מזון.פעיל פחמן ו MOFs יכול להסיר אבקנים אורגני מתכות כבדות. osmosis הפוכה מוחל עבור מערכות פריקה אפס-שקית.

התעלמות

osmosis הפוכה (RO) membranes הם עבודת הכפלת של desalination, אבל חומרים ⁇ לשחק תפקידים תומכים.טיפול עם microfiltration או אולטרה-filtration membranes מגן RO membranes מ עבירה. התפתחויות חדשות כוללים גם חומרים ננו-סרט דק (TFN) membranes משלבים ננו-חלקיקים (gaz) כגון חומרים מתקדמים, 000) לסרבחיים (Fol) לסרב) לסרבחיים (מדומים (Fol) חומרים מתקדמים) ⁇ ) ו-Fol) הם גם הם גם הם גם תרופות (מדומים (מדומים (Flammpathy) ל-Flammposite) כדי להגדיל את ה-tomposite) ל-Fol) חומרים מתקדמים (Fol) חומרים מתקדמים) ל-Fol) חומרים מתקדמים (Fol) ל-Fol) ל-tomtratemtramposite (מסטרואנטיבות) ל-totense) חומרים מתקדמים (Fol) ל-Fol) חומרים מתקדמים (Fol) ל-totense) ⁇ (Fol) ל-totense) ⁇ (Framosis

יתרונות חומרים מתוכפים

אימוץ נרחב של חומרי ⁇ ממונדסים מונע על ידי הביצועים והגמישות הגבוהים שלהם.

  • (FLT:0) גבוה יעילות וקצב הסרתי:98% דחיית חומרים מעוצבים כראוי יכול להשיג מעל 99.9% הסרת חיידקים, וירוסים, ו protozoa (ultrafiltration),> 98% דחיית מלחים מומסים (RO), ומיומנויות של מאות מיליגרם לגרם של מודעות (מקודמת פחמן, MOFs).
  • (FLT:0)Customization: גודל פומפ 1 בגודל, קבוצות פונקציונליות פני השטח, וקומפוזיציה חומרית ניתן להתאים כדי לכוון contaminants ספציפיים (למשל, טעון חיובי קרום להסרת וירוסים, MOFs מבוהל עבור כספית).
  • (FLT:0) אחריות וארוכותיות: חליל:1) וקצת קרומונים פולימרים יכולים לעמוד במאות מחזורי ניקוי.פחמן פעיל יכול להיות מתורבת (הירידה רק כמויות קטנות של מערכות מובנות כראוי יכול לפעול במשך שנים.
  • (FLT:0) קיימות סביבתיות: ⁇ 1 חומרים רבים עשויים מבשרי מתחדשים (פחמן פחמן) או ניתן למחזר / מסדיר, צמצום הפסולת.מברנה לעתים קרובות לא דורש תוספות כימיות, הורדת טביעת הרגל הסביבתית.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : מ"ר מסירות קרמיקה קטנות" ועד לביולוגי ביומרן בקנה מידה גדול, ניתן להתאים את אותן טכנולוגיות חומריות לקשקשים שונים.
  • (FLT:0)Low Energy Options: FLT:1 קרמיקה קרמיקה קרמיקה ואבני פחמן מופעלות יכולות לפעול ללא חשמל, חיוני עבור יישומי גילוח וחירום.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות שלהם, חומרים מהונדסים עומדים בפני מגבלות מעשיות שיש לטפל בהן עבור פריסה רחבה יותר.

  • (FLT:0)Fouling:FLT:1 Accumulation של חלקיקים, חומר אורגני, או ביו-סרטים על פני השטח חוסמים pores ולהפחית את הביצועים.ל ניקוי או החלפת תכופים יש צורך, עלייה בעלויות התפעוליות.
  • חומרים מתקדמים כמו MOFs, ביצועים גבוהים קרומברנס קרמיקה, ואירוגלי חדשות יקרים לייצר.
  • (FLT:0) ,Selectivity לעומת Permeability Trade-off:FLT) חומרים להשיג דחייה גבוהה מאוד יש לעתים קרובות נחיתות מים נמוכה יותר, עלייה בביקוש אנרגיה (במיוחד ב-RO).
  • (FLT:0) חידוש ודיסposal:FLT:1 מודעות Spent Adsorbents (למשל, פחמן מופעל טעון עם מתכות כבדות) חייב להיות מפורש או regenerated.התחדשות הrmal הוא אנרגיה-intensive ועשוי לשחרר את המזויפות שנתפסו.כימיקלים מייצרים פסולת.
  • (FLT:0) רגישות ויציבות: FLT:1 כמה חומרים מבטיחים, כמו MOFs מסוימים, ירידה במים או יש יציבות לטווח ארוך מוגבל.
  • (FLT:0)Lack of Universal Standards:FLT:1 בדיקות ביצועים יכולות להשתנות בין יצרנים ויישומים. פרוטוקולים סטנדרטיים (למשל NSF / NANSI 53 עבור פחמן פעיל, ASTM עבור מנברן פלוקס) חשובים לאבטחת איכות.

כיוונים עתידיים ומחקר

הדור הבא של חומרי ⁇ מהונדסים נועד להתגבר על המגבלות הנוכחיות תוך כדי לחיצה על גבולות הביצוע.כיוונים רבים מתקדמים.

  • (FLT:0)Nanoטכנולוגיה ו 2D חומרים:FreaLT:1 , Graphene oxide, molybdenum disulfide, וחומרים אחרים 2D יכול להיות ערער כדי ליצור ערוצי ננומטרי עבור תחבורה מים אולטרה-ארוחת עם דחייה מדויקת. mmbranes שילוב גרפן יחיד-layer הציגה יכולת יוצאת דופן ודחיית מלח בניסויים מעבדה.
  • (FLT:0) ביומטית חומרים:FLT 1:1 Mimicking הטבע מסננים מים - כגון ערוצי חלבון (quaporins) במזכרי תאים - יכול להניב חומרים עם חדירות גבוהה וגם ליד סלקטיביות מושלמת.
  • (FLT:0) Intelligent and Responsive פורוס: חומרים נוספים שינוי גודל או כימיה פני השטח בתגובה לגירויים (pH, טמפרטורה, אור, ריכוז contaminant) יכולים לחדור עצמי filtration. לדוגמה, מצחצחים פולימרים כי swell או קריסת לשחרר מופרעים במהלך שטיפת גב.
  • (FLT:0) חומרים רב-תפקודיים: אנדרופט 1 (שלב מודעות, photocatalysis, ו- membrane filtration בחומר מורכב אחד מפחית מורכבות מערכת וטביעה.
  • (FLT:0) Machine Learning and High-Throughput Screening:03FLT) 1 גישות Computational להאיץ את הגילוי והאופטימיזציה של MOFs, zeolites, ונוסחאות פולימריות. AI יכול לחזות יכולות מודעות, ביצועים membrane, ואת תנאי הסינתזה האופטימליים, קיצור מחזורי פיתוח.
  • (FLT:0) ייצור בלתי ניתן להשגה: FLT:1 Efforts לייצר חומרי ⁇ מפסולת ביומסה (למשל, השקוקים אורז, סוכרקניות) או דרך נתיבים כימיים ירוקים (למשל, סינזות המבוססות על מים, תהליכים דלתיים) במטרה להפחית את ההשפעה הסביבתית והעלות.

לצליל עמוק יותר במחקר המתעורר, לחקור פרסומים מן האגודה הכימית של אמריקה:0 American Chemical SocietyFelo 1 על חומרים מתקדמים של הפרדה.

בחירת החומרים הפוריים הנכונים עבור המערכת שלך

בחירת חומר ⁇ ממונדס דורש הערכה שיטתית של איכות המים, מטרות הטיפול, ומגבלות התפעוליות.

  1. (FLT:0) זיהוי קונטהמינים: ההרחבה 1 (Identify Contaminants: ⁇ F1) השתמש בבדיקת מים כדי לקבוע אילו מזהמים נמצאים (למשל, חיידקים, מתכות כבדות, תרכובות אורגניות, מלחים מומסים) את יעילות ההסרה הנדרשת (למשל, 99.9%, ומנע; 10bעופרת) מודיעה על בחירה חומרית.
  2. (FLT:0)Define Flow Rate וכרך: FIRLT:1 , Point-of-use מסננים לשתייה מים עשויים לדרוש 1-2 L/min, בעוד מערכות תעשייתיות דורשות מאות גלונים לדקה.
  3. (FLT:0) תנאי הפעלה:FLT:1 טמפרטורה, pH, זעזועים, נוכחות של שמנים או חמצון משפיעים על יציבות החומרית.לדוגמה, מים כלוכליים יכולים למזער כמה פולימידו RO membranes; מלמברנות קרמיקה הם יותר סובלניים.
  4. (FLT:0) תחזוקה והתחדשות: FIRLT:1 , פחמן מופעל צריך תחליף תקופתי; מסננים קרמיקה ניתן לנקות; RO membranes צריך ניקוי כימי כל כמה חודשים.
  5. עלויות ההון הראשוניות של FLT:0(Beblance Cost and Performance:FLT:1IR) 1IRECT, צריכת האנרגיה והעלויות התפעוליות לטווח ארוך (התחזוקה, ההחלפה) חייבות להיחקר נגד ביצועי הטיפול.עבור יישומים רבים במשק הבית, בלוק פחמן פשוט מופעל הוא עלות יעילה; עבור דיספלנציה, RO הוא האפשרות המעשית היחידה.
  6. (FLT:0) הסמכת צ'אק: 1FLT לחפש אישורים NSF /ANSI (למשל, 42 לאפקטים אסתטיים, 53 לאפקטים בריאותיים) או סטנדרט שווה ערך כדי להבטיח ביצועים נטען.

(ב) עיין בהנחיות של ויקרא י"א ל"מ"א (ב"ב) ל"ה' (ב') ל'[[המאה ה-20]], [[1924]]

מסקנה

חומרים מהונדסיים מייצגים ערכת כלים טרנספורמטיבית להתמודדות עם אתגרים באיכות המים העולמית.ממאות שנים פחמן מופעל פחמן למסגרות מתכת-אורגניות מדויקות, חומרים אלה ממשיכים להתפתח, המציעים שליטה רבה יותר על זיהום מים.היכולת שלהם להוציא פיזית, מודעות, או להפוך את חומרי גלם הדרושים לטיפול עירוני, טיהור משק בית, שימוש תעשייתי, דיסינדואים ופתרון, בעוד שעלינו לפתח אתגרים יעילים יותר, במיוחד, כגון פיראטיות, ופתרונות יעילים, כמו גם , , , , , למערכות פיראטיות, , , , , , , , , , , , , למערכות למערכות למערכות , , למערכות פיראטיות , , , , , , , , , למערכות ⁇ ⁇ , , ⁇ למערכות יעילות , , , , , , , ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ â â â â â â â â