ভারী ধাতু অপসারণের জন্য ন্যানোফিল্ট্রেশন ঝিল্লি কতটা শক্তিশালী?

ভারী ধাতু দূষিত জল চিকিত্সা পরিবেশগত ক্ষেত্রে একটি আলোচিত বিষয়। একটি সাম্প্রতিক পর্যালোচনা পদ্ধতিগতভাবে ভারী ধাতু আয়ন অপসারণে ন্যানোফিল্ট্রেশন ঝিল্লির গবেষণার অগ্রগতির সংক্ষিপ্তসার করে, প্রকাশ করে যে উপাদান উদ্ভাবন এবং প্রক্রিয়া অপ্টিমাইজেশনের মাধ্যমে, ন্যানোফিল্ট্রেশন ঝিল্লির জলের প্রবাহ 3 গুণেরও বেশি বৃদ্ধি করা যেতে পারে এবং বিভিন্ন ভারী ধাতু আয়ন যেমন Cu²⁺, Cb²⁺, Cb²⁺, Pb2⁺, 9% এরও বেশি অপসারণের হার বৃদ্ধি করতে পারে জল চিকিত্সার জন্য একটি দক্ষ এবং টেকসই সমাধান প্রদান।

বিশ্বব্যাপী স্বাদু পানির সংকট 1.8 বিলিয়নেরও বেশি মানুষের জীবনকে হুমকির মুখে ফেলেছে। এই দুর্দশার জন্য দুটি প্রধান কারণ রয়েছে: প্রথমত, সামুদ্রিক জল বিশ্বের জল সম্পদের বিশাল সংখ্যাগরিষ্ঠতার জন্য দায়ী, যখন ব্যবহারযোগ্য স্বাদু জলের পরিমাণ সীমিত; দ্বিতীয়ত, বর্জ্য জল নিঃসরণ ক্রমবর্ধমান গুরুতর স্বাদু জল দূষণের দিকে পরিচালিত করে৷ যদিও সামুদ্রিক জলের বিশুদ্ধকরণ প্রযুক্তি সাম্প্রতিক বছরগুলিতে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি করেছে, বর্জ্য জলে অত্যধিক ভারী ধাতু আয়ন (যেমন Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cr⁶⁺, ইত্যাদি) দূষিত হতে পারে এবং মানুষের শরীরে নোনাজাতীয় পানির কারণে মৃত্যু ঘটতে পারে।

অতএব, দূষিত জল থেকে বিষাক্ত ভারী ধাতুগুলির ট্রেস পরিমাণে দক্ষতার সাথে অপসারণের জন্য প্রযুক্তির বিকাশ বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এটি একই সাথে দুটি লক্ষ্য অর্জন করতে পারে: আরও বিশুদ্ধ জল প্রাপ্ত করা এবং মূল্যবান সম্পদ পুনরুদ্ধার করা।

ন্যানোফিল্ট্রেশন ঝিল্লির ছিদ্রের আকার 0.5-2 এনএম, আল্ট্রাফিল্ট্রেশন মেমব্রেনের মধ্যে পড়ে (10-100 এনএম, উচ্চ প্রবাহ কিন্তু কম প্রত্যাখ্যান) এবং বিপরীত অসমোসিস ঝিল্লি (উচ্চ প্রত্যাখ্যান কিন্তু কম প্রবাহ, উচ্চ শক্তি খরচ)। ন্যানোফিল্ট্রেশন মেমব্রেনগুলি ন্যানোপোরের মাধ্যমে জলের অণুগুলির জন্য পরিবহন চ্যানেল সরবরাহ করার সময় ভারী ধাতু আয়নগুলিকে কার্যকরভাবে ধরে রাখতে পারে, যা ভারী ধাতু-দূষিত বর্জ্য জলের চিকিত্সার জন্য একটি অত্যাধুনিক প্রযুক্তি তৈরি করে।

বিচ্ছেদ প্রক্রিয়া:

আকার স্ক্রীনিং: ধরে রাখা এবং ভেদ করা উপকরণের মধ্যে ব্যাসার্ধের পার্থক্যের উপর ভিত্তি করে। ন্যানোফিল্ট্রেশন মেমব্রেনের ছিদ্রের আকারগুলি জলের অণুর ব্যাসের (0.4 nm) চেয়ে বড়, কিন্তু হাইড্রেটেড ভারী ধাতু আয়নগুলির ব্যাসের সাথে তুলনীয়, ছিদ্রের আকার সামঞ্জস্য করে কার্যকর পৃথকীকরণের অনুমতি দেয়।

ডোনান বিকর্ষণ: আয়ন এবং চার্জযুক্ত ঝিল্লি পৃষ্ঠের মধ্যে ইলেক্ট্রোস্ট্যাটিক বিকর্ষণের উপর ভিত্তি করে। ভারী ধাতু আয়নগুলি সাধারণত ইতিবাচকভাবে চার্জ করা হয়, তাই একটি ইতিবাচক চার্জযুক্ত ঝিল্লির পৃষ্ঠ দূষণকারী আয়নগুলিকে ধরে রাখতে আরও সহায়ক।

অধিকন্তু, ফিড দ্রবণের pH উল্লেখযোগ্যভাবে ঝিল্লির কার্যকারিতাকে প্রভাবিত করে: একদিকে, এটি পৃষ্ঠের চার্জ এবং পলিমার নেটওয়ার্কের ক্রস-লিঙ্কিংয়ের মাত্রাকে পরিবর্তন করে, এইভাবে প্রত্যাখ্যান হার এবং ব্যাপ্তিযোগ্যতাকে প্রভাবিত করে; অন্যদিকে, এটি ধাতব আয়নগুলির অবস্থাকে প্রভাবিত করে।

জৈব ঝিল্লি

জৈব ঝিল্লি সাধারণত পলিমার উপকরণ ব্যবহার করে প্রস্তুত করা হয়, যেমন পলিসালফোন, সেলুলোজ অ্যাসিটেট, পলিভিনাইলাইডিন ফ্লোরাইড, পলিথারসালফোন, পলিডাইমিথাইলসিলোক্সেন, পলিথিন, পলিকার্বোনেট এবং পলিমাইড। এর মধ্যে, পলিমাইড হল ন্যানোফিল্ট্রেশন মেমব্রেন প্রস্তুতিতে সর্বাধিক ব্যবহৃত উপাদান, যা সমুদ্রের জলের বিশুদ্ধকরণে চমৎকার কার্যকারিতা প্রদর্শন করে।

অজৈব ঝিল্লি

অজৈব ঝিল্লি চমৎকার রাসায়নিক এবং তাপীয় স্থিতিশীলতা ধারণ করে এবং একটি অভিন্ন ছিদ্র গঠন গঠন করতে পারে। সিরামিক উপাদান, কাচ, ধাতু, জিওলাইট, সিলিকা, প্যালাডিয়াম অ্যালয় এবং দ্বি-মাত্রিক পদার্থ ব্যবহার করা হয়েছে অজৈব ঝিল্লি তৈরিতে। সিরামিক ঝিল্লি ধাতব অক্সাইড এবং তাদের ডেরিভেটিভ থেকে তৈরি করা হয়, যেমন TiO₂, SiO₂, ZrO₂ এবং Al₂O₃।

হাইব্রিড ম্যাট্রিক্স মেমব্রেন
হাইব্রিড ম্যাট্রিক্স মেমব্রেন পলিমারের সমাধান প্রক্রিয়াযোগ্যতাকে ন্যানোফিলার অ্যাডিটিভের চমৎকার ব্যাপ্তিযোগ্যতার সাথে একত্রিত করে, যার লক্ষ্য একই সাথে ব্যাপ্তিযোগ্যতা এবং নির্বাচনযোগ্যতা উন্নত করা। সাধারণত ব্যবহৃত additives অন্তর্ভুক্ত:

• MOFs: যখন MOF NH₂-MIL-125(Ti) 0.010 wt% এ অন্তর্ভুক্ত করা হয়, তখন জলের ব্যাপ্তিযোগ্যতা 12.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, এবং Ni²⁺ প্রত্যাখ্যান হার 90.9% হয়।
• COFs: হাইড্রোফিলিক ট্রায়াজিন-সিওএফগুলি অন্তর্ভুক্ত করার পরে, জলের প্রবাহ 15 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹ এ পৌঁছে এবং Zn²⁺ এবং Pb²⁺ প্রত্যাখ্যানের হার যথাক্রমে 93.8% এবং 92.4%।
• GO (দুই-মাত্রিক উপাদান): GO-তে চিটোসান যুক্ত করার পরে, জলের প্রবাহ 55 L·m⁻²·h⁻¹ এ পৌঁছায় এবং Mn²⁺ প্রত্যাখ্যান হার 85%।
• ZnO ন্যানো পার্টিকেলস: ঝিল্লির হাইড্রোফিলিসিটি উন্নত করে, পৃষ্ঠের রুক্ষতা কমায় এবং অ্যান্টিফাউলিং বৈশিষ্ট্য বাড়ায়।

ফেজ ইনভার্সন পদ্ধতি

এই পদ্ধতিটি, 1960 সালে লোয়েব এবং সৌরজান দ্বারা মেমব্রেন প্রযুক্তিতে প্রথম প্রবর্তন করা হয়েছিল, এটি নির্বাচনী এবং সমর্থন স্তরগুলির এক ধাপে তৈরি করার অনুমতি দেয়৷ পলিমার ঘনত্ব, দ্রাবক এবং জমাট স্নানের ধরন, সংযোজন এবং পরিবেশগত অবস্থার সমন্বয় করে ঝিল্লি মাইক্রোস্ট্রাকচার নিয়ন্ত্রণ করা যেতে পারে। যেমন:

• cGO-ডোপড PPSU ঝিল্লি: জলের ব্যাপ্তিযোগ্যতা 2.1 থেকে 3.5 L·m⁻²·h⁻¹, 99%, 98%, 82%, 82%, এবং 87% H₂AsO₄, HCr₄, P²⁻, C²⁻, CrO₄, CrO₄ এর প্রত্যাখ্যান হার সহ Zn²⁺, যথাক্রমে।
• CS-EDTA-mGO/PES মেমব্রেন (চৌম্বক ক্ষেত্র সহায়তায়): জলের প্রবাহ 84.2 এ পৌঁছেছে। L·m⁻²·h⁻¹, Pb²⁺ প্রত্যাখ্যান হার 98.2%, Cd²⁺ প্রত্যাখ্যান হার 93.6%
• B-Cur ন্যানো পার্টিকেল/PES মেমব্রেন: Fe²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, এবং Ni²⁺ এর জন্য প্রত্যাখ্যানের হার 99% এর বেশি

ইন্টারফেসিয়াল পলিমারাইজেশন পদ্ধতি

ইন্টারফেসিয়াল পলিমারাইজেশন হল সর্বাধিক ব্যবহৃত ন্যানোফিল্ট্রেশন মেমব্রেন প্রস্তুতির কৌশলগুলির মধ্যে একটি। এতে অ্যামাইন মনোমারযুক্ত একটি জলীয় দ্রবণে সাবস্ট্রেট মেমব্রেন নিমজ্জিত করা হয়, তারপরে অ্যাসিল ক্লোরাইড মনোমারযুক্ত জৈব দ্রবণের সাথে এটির সাথে যোগাযোগ করে, ইন্টারফেসে একটি আল্ট্রাথিন পলিমাইড স্তর তৈরি করে। সাধারণত ব্যবহৃত মনোমারগুলি হল পিপারাজিন এবং ট্রাইমেসোয়েল ক্লোরাইড।

• COF ন্যানো পার্টিকেল-ডোপড পলিমাইড মেমব্রেন: জলের ব্যাপ্তিযোগ্যতা ৬৭% বৃদ্ধি পেয়েছে (১০.৮ L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), Cu²⁺, Mn²⁺, এবং Pb²⁺ প্রত্যাখ্যান হার যথাক্রমে 98.3%, 98.9%, 98.9%।
• ইন্টারফেসিয়াল পলিমারাইজেশনে বিএইচডিএ কমনোমারের অংশগ্রহণ: পানির প্রবাহ 2.4 গুণ বেড়েছে (12.9 L·m⁻²·h⁻¹), Cu²⁺, Zn²⁺, এবং Pb²⁺ প্রত্যাখ্যান হার যথাক্রমে 96.5%, 96.2%, এবং 88.4%।
• নিম্ন-তাপমাত্রা ইন্টারফেসিয়াল পলিমারাইজেশন (-15 ডিগ্রী): ঝিল্লির বেধ কমেছে, এবং জলের প্রবাহ 19.2 এ পৌঁছেছে। L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Mn²⁺, Cd²⁺, এবং Cu²⁺ এর জন্য ধরে রাখার হার ছিল যথাক্রমে 97.9%, 87.7% এবং 93.9%।

ডিপ-লেপ পদ্ধতি

ডিপ-কোটিং পদ্ধতিটি পরিচালনা করা সহজ, লাভজনক, দক্ষ, অপচয়মুক্ত-এবং শক্তি-দক্ষ। সাবস্ট্রেটটি সক্রিয় পদার্থের দ্রবণে নিমজ্জিত হয় এবং একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য দাঁড়ানোর অনুমতি দেওয়া হয়, তারপর একটি ধ্রুবক গতিতে টানা হয়, দ্রাবককে বাষ্পীভূত করতে এবং একটি ফিল্ম তৈরি করতে দেয়।

• ইতিবাচকভাবে চার্জ করা ক্রস-লিঙ্কযুক্ত PEI ঝিল্লি (সিরামিক সাবস্ট্রেট): জলের প্রবাহ 32 থেকে 82 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Cu²⁺ এর জন্য 99.8%, As⁵⁺ এর জন্য 96.8% এবং C⁵⁺, 7.2.2% এর জন্য প্রত্যাখ্যান হার সহ
• Cu²⁺ complexed PEI membrane: Water flux 24.8 L·m⁻²·h⁻¹, with rejection rates of >Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, এবং Ni²⁺ এর জন্য 95%।
• PEI/Cu²⁺ প্রাক-জটিল ঝিল্লি: জলের প্রবাহ 8.1 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹, Zn²⁺, Ni²⁺ এবং Cd²⁺ এর ধারণ হার ছিল যথাক্রমে 91.8%, 83.2%, এবং 75%।

সারফেস পরিবর্তন/কার্যকরন

সারফেস পরিবর্তন ন্যানোফিল্ট্রেশন মেমব্রেন পৃষ্ঠের উপর অতি সূক্ষ্ম স্তর তৈরি করতে পারে, একই সাথে নির্বাচনযোগ্যতা এবং ব্যাপ্তিযোগ্যতা উন্নত করে।

• Triethanolamine-grafted PEI/TMC membrane: Water flux increased by 2 times (to 13.6 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹), with a rejection rate of >Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, এবং Cu²⁺-এর জন্য 97% এবং Pb²⁺-এর জন্য প্রত্যাখ্যানের হার 92%।
• CNFs-co-Cs পরিবর্তিত PES ঝিল্লি: জলের প্রবাহ 4.25 থেকে বেড়ে 13.58 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹
• HNTs-DA modified NF270 membrane: Rejection rate of >Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, এবং Ni²⁺ এর জন্য 95%।

ন্যানোফিল্ট্রেশন মেমব্রেন প্রযুক্তি ভারী ধাতু আয়ন অপসারণের ক্ষেত্রে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি করেছে। যৌক্তিকভাবে ঝিল্লি উপকরণ এবং প্রস্তুতির প্রক্রিয়া নির্বাচন করে, ন্যানোফিল্ট্রেশন ঝিল্লির মাইক্রোস্ট্রাকচার নিয়ন্ত্রণ করা যেতে পারে, উল্লেখযোগ্যভাবে জলের প্রবাহ এবং ভারী ধাতু আয়ন প্রত্যাখ্যান হারকে উন্নত করে।

ভবিষ্যত উন্নয়নের দিকনির্দেশনা:

• আয়ন নির্বাচন: বাস্তব-বিশ্বের দূষিত জলে, একাধিক ধাতব আয়ন সহাবস্থান করে। জল পরিশোধন এবং ধাতব পুনরুদ্ধারের দ্বৈত লক্ষ্য অর্জনের জন্য নির্দিষ্ট ধাতব আয়নগুলিকে বেছে বেছে ধরে রাখতে সক্ষম ন্যানোফিল্ট্রেশন ঝিল্লি বিকাশ করা প্রয়োজন।
• ঝিল্লির স্থিতিশীলতা: বর্তমান গবেষণায় সংক্ষিপ্ত পরীক্ষার চক্র রয়েছে এবং বেশিরভাগ ঝিল্লির কর্মক্ষমতা সময়ের সাথে সাথে খারাপ হয়ে যায়। ঝিল্লির স্থায়িত্ব উন্নত করার জন্য আরও ক্রস-লিঙ্কিং বা স্থিতিশীল অজৈব ন্যানো পার্টিকেলগুলির প্রবর্তন প্রয়োজন।
• অ্যান্টিফাউলিং পারফরম্যান্স: মেমব্রেন ফাউলিং মেমব্রেন প্রযুক্তিতে একটি সাধারণ চ্যালেঞ্জ। সারফেস ইঞ্জিনিয়ারিং (যেমন পানির স্তর গঠনের জন্য ইতিবাচক চার্জযুক্ত পৃষ্ঠতল নির্মাণ) দূষণকারী শোষণকে প্রশমিত বা প্রতিরোধ করার জন্য প্রয়োজন।
• অপারেটিং মোড: বেশিরভাগ গবেষণায় মেমব্রেনের মধ্যে ধাতব আয়ন শোষণের সমস্যাটিকে উপেক্ষা করে মৃত-শেষ পরিস্রাবণ নিযুক্ত করা হয়। শিল্প অ্যাপ্লিকেশনের জন্য ক্রস-প্রবাহ অপারেশন মোড প্রয়োজন, এবং এই মোডের অধীনে ঝিল্লির দীর্ঘমেয়াদী কর্মক্ষমতার-দিকে আরও মনোযোগ দেওয়া উচিত।