Elektrokimyasal Membranların Sürdürülebilir Su Purification Sistemlerindeki Rolü

Su kirliliği 21. yüzyılın en acil çevresel zorluklarından biri olmaya devam ediyor, sağlık alanında yılda 2 milyar dolardan fazla insan harcıyor. Ağır metaller, farmasötikler, tarımsal kopiyonlar ve mikropiyonlar, toplumdaki sadece düşük maliyetli ekosistemler değil, aynı zamanda şiddetli ekonomik maliyetler de – en yoğun sağlık hizmetlerinde ve artan verimlilikle ilgili olarak, kimyasal konsensiyonlar dahil olmak üzere, kloral su arıtma yöntemlerinin daha düşük maliyetli bir şekilde kullanılmasını gerektirir.

Elektrokimyasal Membranlar Nedir?

Elektrokimyasal membranlar (ECMs) aynı anda filtrasyon ve elektrokimyasal olarak uzaklaştırma reaksiyonları gerçekleştiren çok işlevli malzemelerdir - bu alanda sadece boyut dışı veya şarj reaksiyonları, ECMs veya elektrokimyasal malzemelere dayanan veya kimyasal maddelere dayanan reaksiyonları - bu tür kimyasal maddeler veya kimyasal maddelere karşı tepki verir - bu alan membranlar boyunca uygulanan membranlar arasında uygulanmalıdır.

ECM'lerin en yaygın türleri şunlardır:

Anahtar inovasyon sinerjik etkide yatıyor: membran hem fiziksel bir bariyer hem de bir elektrot olarak, sürekli, eş zamanlı olarak kirleticilerin ortadan kaldırılmasına izin veriyor. Bu çift işlev, ayrı tedavi aşamalarına ihtiyaç duyuyor, ayak izi ve enerji tüketimini azaltır.

Elektrokimyasal Membranın Mekanikleri

ECM'lerin operasyonu, birçok farklı elektrokimya ve fiziksel süreçlere dayanıyor, genellikle eş zamanlı olarak meydana geliyor. Bu mekanizmaları anlamak membran tasarımı ve proses koşullarını optimize etmek için önemlidir.

Elektrooxidasyon ve Elektroredüksiyon

Elektrikli bir potansiyel uygulandığında, su, onları zararsız karbon dioksit ve sulara sokabilir.Kesinlikle, oksijen hidrojen veya su gibi toksik metallere indirgenebilir ve hexavalent kromyum gibi toksik metaller (Cr6+) daha az zararlı trivalent kromat (Cr3+) geri yükleme için azaltılabilir.

Elektroforezis ve Elektrokoagülasyon

Sudaki şarj parçacıkları ve colloids elektrik alanı (electrophoresis) altında göç eder ve membranın kendisi elektrostatik olarak çekici ve yakalamazsa, onları sonraki bir kullanım için etkili bir şekilde konsantre edebilir.In elektrokoagülasyon, hamal metal elektrotlar (örneğin, demir veya alüminyum) bir birimdeki tıkanıklıkları ve sönüte tutabilir.

Elektrodiiyal ve Capacitive Deionization aracılığıyla tahliye

Bir elektrik alanı altında, tuzlar ilgili elektrodiiyal demografide çalışır (CDI) bu iyonik karbon elektrotoksitleri kullanır - bu tür adsorb iyonları düşük bir gerilim uygulanırken, sonra kutuplu su ve brine ile ilgili ayrı akışlar üretir.

Reaktif Oksijen Türlerinin Üretimi (ROS)

Gelişmiş ECMs, süperoksik radikaller, tekt oksijen ve hidroxyl radikaller, oksitmonosu veya persulfate'yi mevcut olarak metallerle iterek üreterek, bu elektrokimyasal ileri oxidasyon süreci (EAOP) özellikle de pestisit, farmasötik bileşikleri zararlı maddeler, farmasötikler ve boya molekülleri gibi yükseltmek için etkilidir.

Sözleşmeli Purification Yöntemleri Üzerindeki Avantajları

Elektrokimya membranları, onları miras teknolojiler için sürdürülebilir bir alternatif olarak konumlandıran çeşitli performans ve çevresel avantajlar sunar.

Enerji Verimliliği

Ters osmosis, 10-20 barın basınçlarını desalinasyon için gerektirirken, ECM tabanlı sistemler çok daha düşük hidrolik baskıda çalışabilir, enerji tasarrufu sağlamak için önemli pompalama suyu tasarrufu sağlar, düşük sular için, kapasitif deionizasyon, metre başına 0.1-0.5 kWh kadar az tüketilir, çünkü RO için 3-5 kWh'ye kıyasla, filtreleme ve reaktif adımlar, oksijenli atıklar gibi farklı proseslerin enerji cezasını azaltır.

Azaltılmış Kimyasal Ayak izi

Konvansiyonel tedaviler genellikle klora, permanganate, koagulants ve flokülatörlere güvenir ve kimyasal tedarik zincirlerinin yalnız başına sişitme ve oksidasyona ulaşması gerekir - kimyasal depolama, taşıma veya kesme işlemi gerekli değildir. Bu, özellikle de uzak veya felaket-strikken bölgelerindeki merkezi olmayan sistemler için faydalıdır.

Yüksek Seçicilik ve Çok-Contaminant

ECMs, kontrol edilen potansiyel veya membran doping yoluyla belirli iyonları veya molekülleri hedeflemeye uygun olabilir. Örneğin, membranlar geleneksel trenlerde ayrı birimlerle işlevselleştirilmiş veya yarı zamanlı olarak nitratları ortadan kaldırırlar, ancak thiol grupları ile paracury. tek bir ECM sistemi ağır metalleri, organik kirleticileri ve mikroorganizmaları aynı anda ortadan kaldırırlar, bu genellikle geleneksel trenlerde ayrı birimlerle bir dizi gerektirir.

Scalability and Atariity

ECMs, büyük belediye tedavi tesislerine (örneğin, ev batarya filtreleri) kolay ölçeklendirme sağlar. Basit elektrik kontrolü, gerçek zamanlı yükleme performansının belirlenmesini sağlar, donanım değişiklikleri olmadan verimsiz olarak dalgalanma sağlar.

Sürdürülebilir Su Sistemleri Uygulamaları

Elektrokimya membranları geniş bir su arıtma sorunları için araştırılıyor ve dağıtılıyor, her biri teknolojinin eşsiz yeteneklerinden faydalanıyor.

Deniz suyunun ve Brackish Water'in Desalinasyon

Desalinasyon, su değmemiş kıyı bölgeleri için hayati önem taşıyor, ancak geleneksel termal ve membran süreçleri enerji yoğundur ve elektrodiziziyal geri dönüş (EDR) veya CDI modunda 50-% 50-% tuz çıkarma ile elde edilebilir, özellikle de brackish sular için (< 10.000 ppm toplam çözülmemiş sağlam) çalışmalar göstermiştir ki, bu membran iyonizasyon (MCDI) bu sistemler için enerji tüketimini azaltabilir (enerji tüketimine göre% 30–50) veya CDI modu düşük enerji için% 50-% 50-% 50 oranında azaltılabilir, özellikle de Avustralya'da ve magnezyum gibi değerli mineralleri geri kazanmaktadır.

Endüstriyel Atıksudan Ağır Metal Yok

Madencilik, elektroplating ve pil üretimi gibi sanayiler, elektrot yüzeylerinin yüksek konsantrasyonlarına kadar (örneğin, ikincil kesik, pemium, arsenic, kromyum) ECMs, bu metallerin% 99'unu elektrot ECM'leri kullanarak, elektrot yüzeyleri kaldırarak, elektrot yüzeyleri yerel olarak yüksek pH'dan çıkarmak için kullanılabilir.

İçme Suyu

Elektrokimyasal membranlar bakteri, virüsler ve protozoan cystlar klor eklemeden veya dezenfekte edicilerin ürün tarafından çoğaltılabilir. Uygulanan elektrik alanı, mikrobiyal membranlar (örneğin, düşük gerilimler) sırasında ROS atak intraular bileşenleri yapar. Örneğin, dışarıdaki veya acil müdahale senaryolarında söndürücü bir karbon-nanotube bazlı ECM elde edilir:0)E. coli).

Geri dönüşüm ve atık susu kullanımı

Kentsel ve endüstriyel atıksu genellikle organik, tuz ve patojenlerin karmaşık karışımlarını içerir. ECMs, su döngüsüni sadece 0,5 kWh/m3 kullanarak ikincil effluent tedavi edebilir.Bu performans, şehir ve fabrikaların% 90'ını aynı anda ortadan kaldırma potansiyelini gösterir.

Anahtar Malzemeler ve Tasarım Yeniliği

ECM'lerin performansı membran materyalinin özellikleri ve sistemi ile mimari entegrasyonuna bağlıdır. Son gelişmeler, iletkenlik, porosity, stabilite ve maliyet arasındaki ticaretten ödün vermeye odaklandı.

Graphene ve Graphene Oksit Membran

Graphene'nin olağanüstü elektrik iletkenliği (köpektik elektron hareketliliği > 200.000 cm2/V·s) ve mekanik güç, ECMs için ideal bir scaffoldular oluşturur. Pristin grafiklerene membranlar, kimyasal buhar dekonferi (CVD) ile büyüyebilir ve polimer desteklerine transfer edilebilir, grafikte oksit (GO) membranlar çözüm işlemeli ve iletkenliği geri yüklemeyi azaltılabilir.Görünmüş oksijen grupları ayrıca metal nanokurumografileri için siteler sağlar.

Karbon Nanotüp (CNT) Ağlar

Dikey olarak CNT ormanları veya buckypaper membranları yüksek özel yüzey alanı ve hızlı elektron transferleri sunar. Intertwined yapısı hem boyutsal olarak uyumlu ve iletkenlikli CNTs'leri araba kutusuyl veya amine grupları ile fonksiyonel olarak, araştırmacılar ağır metallerin seçici bir şekilde kaldırılması ve anti-fouling özelliklerini gelişmiştir. CNT- bazlı ECMs sürekli akış deneylerinde mükemmel uzun vadeli stabiliteyi göstermiştir, 500 saat boyunca düşük performans azalır.

Metal Oksit ve Karma Metal Kaplamaları

TiO2, ZnO, SnO2 ve RuO2, fonksiyon seramik veya polimer üzerinde kaplamalar olarak uygulanan yaygın katalitik malzemelerdir. Bu oksitler oksijen evrimi için yüksek oranda yüksek oranda yüksek oranda azaltılabilir, ROS jenerasyonu destekler ve permeability (Pt, Ir) ile yapılabilir. Sol-gel ve atom tabaka daplasman teknikleri kaplama kalınlığında hassas kontrol sağlar -tipik olarak 10-100 nm -maxing reaktif siteler ile yapılır.

Davranışlı Polimerler ve Kompozitler

Polyaniline (PANI) gibi polimerler, poli pirrole (PPy), ve poli(3,4-pirasyonel oksitophene) (PEDOT) nanotüptürücü membranları iletkenliğe dönüştürmek için elektrot depolanabilir.Bu malzemeler, panoitalize edilen ve nispeten ucuz.Peyoksit membranları sadece polimer matrisine dahil eden polimer matrisine dahil eden polimerler için polimer matrisi birleştirir.For example, panjurI-graphene kompozit membranları için 3-5 kat daha yüksek elektrooksidasyon oranları göstermiştir.

Challenges Limiting Widespread

Onların sözlerine rağmen, ECMs, küresel ölçekte olgun teknolojilerle rekabet etmeden önce ele alınması gereken birkaç engelle karşı karşıyadır.

Membran Fouling

Fouling – organik madde birikimi, ölçek veya membran yüzeyindeki biyofilmler – organik yatakları üreterek ve enerji talebini artırabilir. ECMs, uygulanan elektrik alanı, fouling tarafından kedisi kutuplu (electrostatik repulsion) veya ROS'ı yükselterek, organik yatakları artırabilir. ancak organik olmayan ölçeklendirmede (örneğin, CaCO3, Mg(OH) bir araştırma alanı ile ilgili olarak elektrotlar ile ilgili olarak elektrotlar da ortaya çıkabilir.

Yüksek İlk Maliyetler

Davranışlı membranlar için kullanılan malzemeler - özellikle grafik, CNTs ve asil metal katalizörler - CVD, ALD ve elektrospinning gibi toplam maliyet henüz ürün düzeyinde üretim hacmine ölçeklendirilmemektedir.

Enerji Tüketimi vs. Performans Ticareti

ECM'ler düşük akış oranlarında ve düşük kirletici yüklerde enerji verimliliğine sahip olabilirken, çok yüksek oranda silikonlu kirleticiler (örneğin, perfluorinated bileşikler) daha yüksek gerilimler (5-10 V), artan enerji tüketimi gerektirir.En iyi potansiyel pencere, düşük ve tepkiler yetersizdir, çok yüksek ve su elektroliz, gözenekleri engeller ve obliktif enerji tedarik tasarımları (örneğin, afüzücü veya alternatifleri azaltır.

Uzun Süreli Stability ve Durability

Elektrokimyasal bisiklet, membran malzemelerini korozyon, dissolution veya ECM dayanıklılık ile silebilir. Örneğin, karbon bazlı membranlar yüksek anodik potansiyellerde oksitlenebilir, iletkenliği kaybetmeye yardımcı olabilir. Metal oksit kaplamaları, ECM dayanıklılık standartları hala ASTM International gibi kuruluşlar tarafından tanımlanabilir.

Future Research Path and Outlook

Önümüzdeki on yıl ECM teknolojisi için önemli bir potansiyele sahiptir, malzemelerdeki yenilikler, süreç entegrasyonu ve yenilenebilir enerji darbesi ile yönlendirilir.

Roman Malzemeler ve Mimariler

Grafikteki 2D malzemeler – MXenes (transition metal lübüsler), molybdenum disulfide (MoS2) ve siyah fosforlar - yüksek elektrik iletkenliği nedeniyle ECM'ler için araştırılabilir ve seçici adlar için entegre edilebilir. Biyo-düşüksüz veya biyo-kanıkıştırılabilir malzemeler kullanımı tıbbi alan uygulamaları için tek kullanımlık ECM olabilir.

Hibrit Sistemler ve Süreç Intensification

ECM'leri biyolojik tedavi ile birleştirmek (örneğin, su kurtarma aşamasına kadar salaklar) veya membran distillasyon ile geri dönüşümlü olarak yaklaşık sıfır sıvı deşarj elde edebilir. Örneğin, bir ECM, minerali bir buharlaştırma aşamasına çıkarmak için su tasarrufu sağlar, su kurtarma oranlarına yardımcı olur.

Yenilenebilir Enerji ile entegrasyon

ECMs düşük gerilimlerde (1-5 V) çalışır, doğrudan bitkiler tarafından güneş destekli MCDI birimlerinin su arıtmasına izin vermeden 20 L / su içmesine izin verebilir. Mikrogrid bağlantılı sistemler gece boyunca şişe su ve daha güvenli bir şekilde çalıştırılabilir.

Akıllı ve Adaptif Membranlar

Sensörler (örneğin, iletkenlik, pH, kırmızıoks potansiyeli) membran yapısı içinde gerçek zamanlı geri bildirimler su kalitesi ve membran sağlığı üzerinde sağlayabilir. Makine öğrenme algoritmaları daha sonra uygulanan gerilim, akış oranı veya kutuplaşma olayları optimize etmek için kullanılabilir. Bu tür “akıllı membranlar” erken prototip aşamalarındadır, ancak düşük bakımlı su temizleyicileri, akıllı şehirler ve endüstri 4.0 için düşük seviyeli su tasarrufu sağlar.

Politika ve Standartlaştırma

ECM'ler geniş ticari kabul, açık düzenleyici çerçeveler ve performans standartları gereklidir. ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA) ve Dünya Sağlık Örgütü (WHO), Avrupa'nın Ufuk 2020 projesi gibi, gelişmekte olan elektrokimyasal teknolojileri değerlendirerek, Avrupa'nın Ufuk 2020 projesinin "Seçkisel olarak, ECM performanslarını geleneksel karşılaştırmak için protokolleri oluşturacaktır. Standart test yöntemleri, laboratuvardan piyasaya kadar teknoloji transferi hızlandıracak.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Elektrokimyasal membranlar su arıtmasında bir paradigma değişikliğini temsil eder - aynı anda ağır metallerin fiziksel verimliliğini birleştirir ve elektrokimyanın kimyasal açıdan uygun hale getirir. Yüksek seçicilik, kimyasal kullanım ve daha düşük enerji tüketimi, ECMs, su arıtma yöntemlerinin birçok kısmını ele alır, aynı anda yüksek çözünürlükte, organik kirleticileri ortadan kaldırır ve bu tür kimyasal maddeler için ideal olarak uygun hale getirir.

[FONT:0)Related resources:[Dönemli kaynaklar:[Dönemli: 1)