תפקיד של מערכות אלקטרו-כימיות בטיהור מים בר קיימא

זיהום מים נשאר אחד האתגרים הסביבתיים הדוחקים ביותר של המאה ה-21, המשפיעים על יותר מ-2 מיליארד אנשים ברחבי העולם, אשר חסרים גישה למים בטוחים לשתייה.קונלנטים כגון מתכות כבדות, תרופות, צנרת חקלאית, ומיקרוביוגנים מיקרוביאליים לא רק מערכות אקולוגיות מחיתות, אלא גם כופים עלויות כלכליות חמורות - שהופעלו במאות מיליארדי דולרים בשנה בבריאות ובפרודוקטיביות של מים.

מה הם לימוזינה אלקטרו-כימיקלית?

חומרים אלקטרוכימיים (ECMs) הם חומרים רב-תפקודיים כי בו זמנית לבצע סינון ותגובה המונעת אלקטרוכימית להסרת, מחיתולים, או משנים את contaminants. בניגוד למזכרים קונבנציונליים התלויים אך ורק על גודל או מטען מטען, ECMs משלבים חומרים מוליכים או סמי-מוליכים למחצה - כגון nanomaterials מבוססי פחמן, תחמוצת מתכת, או התנהגותיתים, המאפשרת חומרים אלקטרו-דלקתיים, או מוליכים-מדומים - כדי למנוע גירויים, או חומרים אלקטרו-דלקתיים, אשר מאפשרים פירוק חומרים אלקטרו-דלקתיים, או חומרים אלקטרו-חמצני, אשר מאפשרים פירוק חומרים אלקטרו-חמצני, או חומרים אלקטרו-חמצני, או חומרים אלקטרו-חמצני, או חומרים אלקטרו-חמצני, אשר מאפשרים פירוק חומרים אלקטרו-חמצני, או חומרים אלקטרו-חמצני, או חומר חמצן, אשר מאפשר פירוק שטח-חמצני, או גרורתיים, אשר מאפשר פירוק חמצן, אשר מאפשר פירוק מגנטיים, אשר מאפשר פירוק חמצן, או נוגדים, אשר מאפשר פירוק חמצן, או נוגד חמצון, או חומרים אלקטרו-מסוגליאו חומרים חשמליים, אשר מאפשר פירוק מגנטיים, או חומרים אלקטרו-מסוגליטיסרטיקסיביים, אשר מאפשר פירוק מגנטיים, או חומרים

הסוגים הנפוצים ביותר של ECMs כוללים:

• (FLT:0) מזכרי קרמיקה קרמיקה קרמיקה (Feloph:1) – לעתים קרובות עשויים מ- titanium דו תחמוצת מתכת מעורבת, המציעים יציבות כימית ותרמית גבוהה.
• (FLT:0) ,Carbon מבוסס membranesFreaLT:1 ; כגון oxide או פחמן ננוtube רשתות, הידועות עבור מוליכות מעולה וגודלי טונה.
• (FLT:0) מנברינס מורכב מאמברוז'ר 1 (בשילוב חומרים ממלאים התנהגותיים (למשל, פוליניליין, פוליפידרול) בתוך מטריצה פולימרית כדי לאזן גמישות עם ביצועים אלקטרו-כימיים.
• (FLT:0)Ion-exchange membranesveFLT:1) - בשימוש באלקטרודיאליזה ובניתוק כיבולי, העברת cations או בצלים תחת מתח יישומי.

החדשנות המרכזית טמונה באפקט הסינרגיסטי: המזכר פועל הן כמכשול פיזי והן כאלקטרודה, המאפשרת הסרת זמן, סימולטנית וחורבן של contaminants. פונקציה כפולה זו מבטלת את הצורך בשלבים נפרדים של טיפול, צמצום טביעת הרגל וצריכת אנרגיה.

מכניזם של אלקטרו-כימיקלים Membrane Filtration

פעולת ECMs מסתמכת על מספר תהליכים אלקטרוכימיים וגופניים שונים, לעתים קרובות מתרחשת במקביל.הבנת מנגנונים אלה חיונית לקידוד עיצוב ותנאי תהליך קרום.

אלקטרוקסידציה ואלקטרופורציה

כאשר פוטנציאל חשמלי מוחל, מים יכולים להיות מחמצן ב aode כדי לייצר רדיקלים הידרוקסיל (OH) או מינים אחרים תגובתיים כגון אוזון ומימן peroxide. אלה שאינם selective לתקוף במהירות את contaminants אורגניים לתקוף במהירות, פורץ אותם לתוך פחמן דו חמצני מים לא מזיקים, בקטו, מתמוסס חמצן יכול להיות מופחת מימן או חמצן רעילים (כ"ר) כדי להפחית את זה פחות נזקי) למתחים (xoC) נמוך יותר מאשר חמצן נמוך יותר מאשר חמצן גבוה יותר מאשר חמצן (xromis) נמוך יותר מאשר חמצן 3 גרם) נמוך יותר מאשר חמצן גבוה יותר מאשר חמצן (xomxomxomxomxum) נמוך יותר מאשר חמצן נמוך יותר מאשר חמצן 3xom) נמוך יותר מאשר חמצן נמוך יותר מאשר חמצן מים).

אלקטרופוזה ואלקטרוקוגניציה

חלקיקים והתנגשות במים נודדים מתחת לשדה החשמלי (אלקטרוניקה) ומצטברים ליד פני השטח membrane.אם המברה עצמו הוא אחד אלקטרודות, חלקיקים אלה יכולים להיות מושכים אלקטרוסטטי ונלכד, ביעילות ריכוז אותם עבור מחזור מאוחר יותר. in אלקטרוקוגניציה, קרישה מקודשת אלקטרודות (למשל, ברזל או אלומיניום) משחררת cbilne כי שילוב של תרכובות מתכת חד-קרקעיות עם CMSTVicross.

Ion Removal באמצעות אלקטרודיאליזה ו- Capacitive Deionization

עבור desalination או הסרה קשיחה, ECMs הפועלים במצב אלקטרודיאליזה מורכב משנים את cation- ו anion-exchange membranes.תחת שדה חשמלי, מלחים מומסים נודדים לכיוון אלקטרודות בהתאמה, ומייצרים זרמים נפרדים של מים מטוהרים וזרימת מים מתפתלים במיוחד כאשר הם משיגים מחסנים זעירים (CDI) משתמשים באלקטרודות פחמן - לעתים קרובות מסודרים כתצורה של תצורה של תצורה נמוכה - לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, מתח נמוך של מתח נמוך של מתחים, כאשר הם מתח נמוך יותר, כאשר הם מופעלים על פני השטח התחתון של לחץ דם נמוך.

דור המינים של Reactive Oxygen Species (ROS)

ECMs מתקדם יכול ליצור ROS, כולל רדיקלים סופר-חמצני, חמצן יחידני, ו הידרוקסיל רדיקלים, על ידי הפעלת peroxymonosulfate או persulfate עם זרם חשמלי.זה תהליך חמצון מתקדם אלקטרוכימי מתקדם (EAOP) יעיל במיוחד עבור degrading restrant אורגני תרכובות כמו חומרי הדברה, תרופות, ומולקולות צבע.

יתרונות על שיטות הטיהור

מלמברנס אלקטרו-כימי מציע מגוון של ביצועים ויתרונות סביבתיים שמציבים אותם כחלופה בת קיימא לטכנולוגיות מורשת.

אנרגיה יעילה

בעוד אוסמוזה הפוכה דורשת לחץ של 10-20 בר על דיספלנציה, מערכות מבוססות ECM יכולות לפעול בלחץ הידראולי נמוך בהרבה, לחסוך אנרגיה משאבה משמעותית. עבור מים דלים, פיזור קיבולי צורכת כמו 0-0.5 קילוואט למטר מעוקב, בהשוואה ל 3-5 קילוואט עבור RO.בנוסף, היכולת לשלב filtration ו reactive Reactive צעדים כגון ענישה, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר 3- 5 קילפטציה של 3 עד 3 עד 5 קילטרציה.

טביעת רגל כימית

טיפולים קונבנציונליים לעתים קרובות להסתמך על כלור, permanganate, coagulants, ו flocculants, אשר עצמם דורשים ייצור כימי וסילוק. ECMs להשיג חיטוי וחמצן באמצעות העברה אלקטרונים לבד - לא אחסון כימי, תחבורה, או סלפטלינג הוא צורך.זה מועיל במיוחד עבור מערכות מבוזרות באזורים מרוחקים או אסון, שבו אספקת כימיקלים הם בלתי אמינים.

אפשרויות ל Multi-Contaminant Removal

ECMs יכול להיות מותאם כדי לכוון מושגים או מולקולות ספציפיים באמצעות פוטנציאל מבוקר או membrane doping. לדוגמה, membranes פונקציונלי עם קבוצות ammonium sulfonic או quaternary מעדיפים להסיר באופן זמני את nitrate, ואילו אלה עם קבוצות thiol ללכוד כספית. 1 ECM אחד יכול להסיר מתכות כבד, אקסטנטים, ומיקרואורגניזמים בו זמנית, אשר דורש בדרך כלל רצף של יחידות נפרדות.

סקלאלה ומודולריות

מכיוון ש- ECMs מסתמכים על שדות חשמליים ולא על כלי לחץ רב, הם יכולים להיות מקובעים קומפקטיים, מודולריים.זה מאפשר דרוג קל ממכשירים של שימוש (למשל, מסננים ביתיים) למפעלי טיפול עירוניים גדולים.השליטה החשמלית פשוטה מאפשרת התאמה בזמן אמת של ביצוע הסרת, שינוי באיכות גבוהה ללא שינויים.

יישומים במערכות מים בר קיימא

קרום אלקטרוכימי נחקר ומופצים למגוון רחב של אתגרים של טיהור מים, כל אחד נהנה מהיכולות הייחודיות של הטכנולוגיה.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

דיספלנציה חיונית לאזורים החוףיים מתוחים במים, אך תהליכים תרמיים וממוחניים קונבנציונליים הם אנרגיה-intensive ומייצרים ריבאונדים מרוכזים המופעלים ב- אלקטרודיאליזה (EDR) או מצב CDI יכול להשיג 50-90% להסרת מלח עם אנרגיה נמוכה יותר, במיוחד עבור מים דליקים (< 10,000 pm מתמוססים מוצקים) הראו כי membranenemnemin מופחתת עבור מינרלים אלה (I יכול גם כן, כמו גם מינרלים בינוניים) בהשוואה ל אטומים נמוך יותר (מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ) בהשוואה ל טמפרטורות נמוכות יותר) בהשוואה ל אטומים) בהשוואה ל אטומים בינוניים (מאטמי מים אטומים) בהשוואה ל אטומים נמוך יותר (מאטמי ריפלימיים) בהשוואה ל אטומים (מאטמיים (מסוגים) בהשוואה ל אטומים (מאטמיים (מאטמיים (מאטמיים) בהשוואה ל אטומים נמוך יותר) בהשוואה ל מינרלים (מתקני פחמן בינוניים (מסוגמיציפיכות בינוניים) בהשוואה ל אטומים) בהשוואה ל אטומים

מתכת כבדה משפכים תעשייתיים

תעשיות כגון כרייה, אלקטרו-פלינג, וייצור סוללות ריכוזים גבוהים של מתכות כבדות רעילות (למשל, להוביל, קדמיום, ארסן, כרום) ECMs יכול להשיג > 99% הסרת מתכות אלה באמצעות אלקטרודה על membrane קטודה או באמצעות משקעים המושרה על ידי pH גבוה מקומי ליד פני השטח אלקטרודה, לא כפול נוצר ממתכת כפולה יכול להיות התאוששומתים לריכוזים פחות מ- aCM רגיל.

אכזבת שתייה

(החומרים האלקטרוניים יכולים ליזום חיידקים, וירוסים, וציסטות פרוטוזוטן ללא תוספת כלור או יצירת חיטוי על ידי מוצרים.שדה החשמלי החל משבש מזכרי תאים מיקרוביאליים (אלקטרוניקה), בעוד שהתקפה על רכיבי הטראוארולר (לדוגמה, A Carbon-natube-based ECM שהושגה > 6 הפחתה של LTF:0irdows) בתוך שניות ספורות של פעילות גופנית (V-F).

Recycling and Reuse of Wastewater

פסולת עירונית ותעשייתית מכילה לעתים קרובות תערובת מורכבות של אורגנים, מלחים, ופתוגנים. ECMs יכול לטפל מנוף משני באיכות המתאימה לשקיה, תהליכים תעשייתיים, או אפילו שימוש חוזר שניתן להחלפה. במחקר המטפל במי פסולת עירונית, CM בקנה מידה טייס השיגה הסרת סימולטנית של 90% מביקוש כימי (COD), 98% של זרחן, > ו-99 של מטוסים טריים בלבד.

חומרים מרכזיים וחדשנות עיצוב

הביצועים של ECMs hing על המאפיינים של חומר קרום ואת שילוב האדריכלי שלה לתוך המערכת. התפתחויות האחרונות התמקדו על פני העודף בין מוליכות, פורוזיות, יציבות, ועלות.

Graphene ו-Gatephene Oxide Membranes

מוליכות חשמלית יוצאת דופן של Graphene (ניידות אלקטרונים תיאורטית > 200,000 ס"מ / Vs) וכוח מכני להפוך אותו גרף אידיאלי עבור ECMs. Pristine גרפן קרום יכול להיות גדל באמצעות פיזור כימי (CVD) ו מועבר על פולימרים פולימרים, בעוד גרף (GO) יכול להיות מעובד פתרון ולהפחית את רמות החמצן של צינורות, גם כן, עם תמיכה פונקציונליים.

פחמן ננוtube (CNT) רשתות

באופן רציונאלי מימברנות CNT או buckypaper מציעים שטח משטח ספציפי גבוה ולהעביר אלקטרונים מהיר.מבנה הקידוד שלהם יוצר pores כי הם בגודל של selective והתנהלותי. על ידי פונקציונליזציה CNTs עם קבוצות carboxyl או amine, החוקרים השיגו הסרה סלקטיבית של מתכות כבדות ושיפור תכונות אנטי-מפות מבוססות CNT הוכיחו מצוינות לטווח ארוך של ניסויים זרימה מינימלית עם ביצועים, עם ירידה מינימלית לאורך זמן קצר יותר מ מתמשכים.

Metal Oxide ו-Bol Metal Oxide Coating

TiO2, ZnO, SnO2, ו- RuO2 הם חומרים קטליטיים נפוצים המשמשים כציפוי קרמיקה או פולימרים תומך. ⁇ ⁇ אלה תחמוצות גבוהה עבור אבולוציה חמצן, לטובת דור ROS, וניתן לעשות עם מתכות אציליות (Pt, Ir) כדי להגביר את היעילות ההתנהלותית והקטליטית.

פולימרים ו Composites

פולימרים כגון פוליאנילין (PANI), פוליפיקול (PPy), ופולי(3,4-ethyleneoxythiophene) (PEDOT) יכול להיות אלקטרודפוסט על membranes microfiltration כדי להקנות התנהגות.חומרים אלה הם גמישים, קלים, וזול יחסית.

אתגרים מגבילים אימוץ נרחב

למרות ההבטחה שלהם, ECMs להתמודד עם כמה מכשולים שיש לטפל בהם לפני שהם יכולים להתחרות עם טכנולוגיות בוגר בקנה מידה עולמי.

Membrane Fouling

נפיחות - הצטברות של חומר אורגני, גודל או ביופילים על פני השטח membrane - לחנך פלוקס מגביר את הביקוש אנרגיה. ב ECMs, השדה החשמלי החל יכול להפחית את העיוותים באופן שלילי על ידי דחיית עבירות שליליות של חומרים ה- Cathode (חשמלי הנעה) או על ידי ייצור של ROS כי degrade Deposits אורגני. עם זאת, inorganic Scaleing (e), עדיין Cagggic Analysis Cagic Transgoutic Development (D) הוא עדיין מתפתח שכבות אלקטרו-pic).

עלויות ראשונות גבוהות

החומרים המשמשים ל membranes מוליכים - במיוחד גרפן, CNTs, וזרזי מתכת אציליים - נשארים יקרים. תהליכי ייצור כמו CVD, ALD, ואלקטרוספינינג עדיין לא בקנה מידה הייצור ברמה של סחורות. מודול ECM טיפוסי עשוי לעלות 5-10 פעמים יותר מאשר השקעה פולימרנית קונבנציונלית של אותו אזור.עם זאת, העלות הכוללת של הבעלות יכול להיות נמוך יותר אנרגיה אם יש לי בהדרגה על פני כדור הארץ.

צריכת אנרגיה לעומת ביצועי המסחר

בעוד ECMs יכול להיות יעיל אנרגיה על שיעורי זרימה נמוכה עומסים נמוכים, השגת שיעורי הסרה גבוהה עבור אבקה מאתגר (למשל, תרכובות מושפעות) עשוי לדרוש מתחים גבוהים יותר (5-10 V), הגדלת צריכת האנרגיה.חלון הפוטנציאלי האופטימלי הוא צר - נמוך מדי תגובות נמוכות מדי, גבוהות מדי ומים לייצר מימן וגזים כי בועות מתקדמות חוסמות את הביצועים של חשמל מתקדם (או אלגוריתמים).

יציבות ויציבות לטווח ארוך

אופניים אלקטרוכימיים יכולים להפיג חומרים קרום באמצעות קורוזיה, פירוק, או דלמנט של שכבות התנהגותיות.לדוגמה, membranes מבוסס פחמן יכול להיות מחמצן בפוטנציאלים לא-משפטיים גבוהים, לאבד מוליכות. ציפויים מתכתיים עשוי לקלף מתחת לרדאר הידראולי.בדיקת סטנדרטים עבור עמידות ECM עדיין מוגדרים על ידי ארגונים כגון מחקר בינלאומי יותר נדרש על פרוטוקולים מתקדמים (R) כדי להרחיב את חיידקנות.

כיוונים עתידיים מחקר ו- Outlook

העשור הבא יש פוטנציאל משמעותי עבור טכנולוגיית ECM להיות פתרון טיהור מים הזרם המרכזי, המונע על ידי חידושים בחומרים, שילוב תהליכים והפיכה אנרגיה מתחדשת.

חומרים חדשים ואדריכלות

חומרים 2D מעבר גרפן - כגון MXenes (טרנסציה מתכת carbides), molybdenum disulfide (MoS2), ו זרחן שחור - נחקר עבור ECMs בשל מוליכות חשמלית גבוהה שלהם, פעילות קטליטית, טונה interlayer interlayer interpacking. Metal-Ororganic מסגרות (Fs) ומסגרות אורגניות קוגניות (FCO) יכול להיות משולבות עבור תרכובות bioacting חומרים bioactiveicial (cos) או CM) יכול להיות משולבות סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים לשימוש CMiveiOS.

מערכות היברידיות ותהליכי שיפור

שילוב ECMs עם טיפול ביולוגי (למשל, מערכות ביו-אלקטרוניקה) או עם דינקיה membrane יכול להשיג כמעט אפס פריקה נוזלית.לדוגמה, ECM יכול לטפל שפכים מלוחים כדי להסיר מבשרים מזיקים אורגניים לפני שלב השקיה, שיפור התאוששות מים.עוד היברידי מבטיח הוא מערכת אלקטרוכימית מסייעת מוזזה הפוכה (גיל) שבו מוליכות מינרלים שלילי על הפחתת קצב התאוששות.

שילוב עם אנרגיה מתחדשת

מכיוון ש- ECMs פועלים במתחים נמוכים (1-5 V), הם יכולים להיות מופעלים ישירות על ידי photovoltaics סולאריים (PV) ללא מופנים, המאפשרים טיפול במים אוטונומיים מחוץ לריד.מערכות מחוברות מיקרוגרידי עם אחסון סוללות יכול להפעיל ECMs אפילו בלילה. ניסויים שדה אחרונים בקניה ובנגלדש הראו כי יחידות MCDI מופעלות על ידי השמש יכולות לייצר 20 /h של מים חמים מגובה מים חמים מתחת למים מגובה מים מגובה יותר מגובה מים מ-0.01 $ מתחת למים.

« חכמים והסתגלות Membranes

חיישנים Embedding (למשל, מוליכות, pH, פוטנציאל חמצון אדום) בתוך מבנה membrane יכול לספק משוב בזמן אמת על איכות מים ובריאות membrane. אלגוריתמי למידת מכונה יכול אז להתאים את המתח החל, קצב זרימה, או קוטבי כדי להתאים ביצועים וחיזוי אירועים רעועים. "מברנס חכם" כאלה הם בשלבים מוקדמים, אבל לשמור על ההבטחה של רגולציה עצמית, ירידה נמוכה עבור ערים חכמות ו- 4.0.

מדיניות ותקנות

עבור ECMs כדי להשיג קבלה מסחרית רחבה, מסגרות רגולטוריות ברורות ותקני ביצועים נדרשים. הסוכנות להגנת הסביבה של ארה"ב (EPA) וארגון הבריאות העולמי (WHO) החלו להעריך טכנולוגיות אלקטרו-כימיות מתקדמות להנחיות שימוש חוזר רציפות. [+] , כגון פרויקט Horizon 2020 "Electrome Water", הם פרוטוקולים להשוואה ביצועים ECM עם קריטריונים סטנדרטיים של שיטות בדיקה סטנדרטיות יזרז את הטכנולוגיה כדי להעביר לשוק מעבדה.

מסקנה

קרום אלקטרוכימי מייצג שינוי פרדיגמטי בטיהור מים - אחד שמאחד את היעילות הפיזית של סינון עם הגמישות הכימית של אלקטרוכימיה.על ידי מתן אפשרות בחירה גבוהה, שימוש כימי מופחת, צריכת אנרגיה נמוכה יותר, ECMs לטפל רבים של ליקויים של מערכות טיפול מסורתיות, יכולת שלהם להסיר במקביל מתכות כבדות, חומרים אורגניים, פתוגנים, הופכת אותם אידיאלי עבור מקורות מורכבים, בעודם אנרגיה מתמשכת, כמו גם עלייה במשקל טבעי, כמו גם חומרים סביבתיים, כמו גם, כמו גם, כמו גם חומרים מסוכנים, כמו גם על פני מים, כמו גם על פני מים יציבים, כמו גם על פני כדור הארץ, כמו גם על פני מים, כמו גם על פני כדור הארץ, כמו גם על פני מים יציבים, כמו גם על פני מים, כמו גם על פני מים, כמו גם על פני מים, כמו גם על פני כדור הארץ, כמו גם על פני מים יציבים, כמו גם על פני מים, 000, כמו גם על פני כדור הארץ, 000, 000.

מקור:0 (ב) מקורות נוספים:

• (ב) עיין ב-[[המאה ה-20]] ב[[1924]] וב[[1924]]
• (ב) ויקרא יא"ד: "ה' א'"א:
• (ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד): "מִנְלֹא עַמֶרְטַבְתִּי עַל עַמֶּנְקִים" (ב"ד)
• (ב) ◄ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) , (הופנה מהדף ScienceDirecteurFLT:1)