Der Abschirmeffekt ermöglicht einen schnellen Ionentransfer durch die nanoporöse Membran für hohe Energie

Nature Water (2023)Diesen Artikel zitieren

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Ein Schlüssel zur nachhaltigen Bewirtschaftung salzhaltiger Abwässer, die reich an organischen Stoffen sind, liegt in der präzisen Fraktionierung organischer Bestandteile und anorganischer Salze (NaCl) als einzelne Ressourcen. Herkömmliche Nanofiltrations- und Elektrodialyseverfahren leiden unter Membranverschmutzung und beeinträchtigen die Wirksamkeit der Fraktionierung. Hier entwickeln wir eine nanoporöse Dünnschicht-Verbundmembran durch gleichzeitige Abscheidung von Dopamin und Polyethylenimin als hochanionenleitende Membran. Experimentelle Ergebnisse und Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass die gleichzeitige Abscheidung von Dopamin und Polyethylenimin die Eigenschaften der Membranoberfläche effektiv anpasst, den Ladungsabschirmungseffekt verstärkt und einen schnellen Anionentransfer für eine hocheffiziente Elektrodialyse ermöglicht. Die resultierende nanoporöse Membran weist eine beispiellose elektrodialytische Fraktionierung von organischen Stoffen und NaCl mit vernachlässigbarer Membranverschmutzung auf und übertrifft damit modernste Anionenaustauschmembranen erheblich. Unsere Studie beleuchtet das einfache Design von anionenleitenden Hochleistungsmembranen und die damit verbundenen neuen Stofftransportmechanismen bei der elektrodialytischen Trennung und ebnet den Weg für eine nachhaltige Bewirtschaftung komplexer Abfallströme.

Um Netto-Null-Kohlenstoffemissionen für eine Kreislaufwirtschaft voranzutreiben, ist bei den derzeitigen Abwasserbehandlungsprozessen dringend ein Paradigmenwechsel von der konventionellen Schadstoffentfernung zur Ressourcenrückgewinnung erforderlich, beispielsweise Energie, Nährstoffe, Biomasse und andere Nebenprodukte mit hoher Wertschöpfung, die über Wasser hinausgehen Rückgewinnung durch Umkehrosmose1,2,3,4,5. Eine große Herausforderung bei der Abwasseraufbereitung ist die Bewirtschaftung von salzhaltigen, organischen Abfallströmen, die in einer Vielzahl von Industriesektoren anfallen, beispielsweise in der Textilverarbeitung, in Gerbereien, in der Lebensmittelverarbeitung, in der Öl- und Gasindustrie, in Papierfabriken und in der Arzneimittelherstellung6,7,8 ,9. Daher ist es wichtig, organische und anorganische Salze (z. B. NaCl) mithilfe innovativer und fortschrittlicher Trenntechnologie effektiv zu fraktionieren, um wertvolle Ressourcen aus diesen salzhaltigen, organischen Abfallströmen nachhaltig zurückzugewinnen10.

Membranbasierte Trenntechnologien bieten Möglichkeiten zur effektiven Verwaltung dieser salzhaltigen, organischen Abfallströme. Beispielsweise gehört die Nanofiltration zu den am weitesten verbreiteten druckbetriebenen Membrantechnologien zum Sieben organischer Stoffe mit Molekulargewichten (MWs) von 200–1.000 Da und anorganischer Salze aus salzhaltigen, organisch reichen Abfallströmen, basierend auf den synergistischen Effekten von Größenausschluss und Elektrostatik Abstoßung mithilfe der nanoporösen Dünnfilm-Verbundmembranen (TFC), die die organischen Stoffe zurückhalten, aber teilweise die Übertragung anorganischer Salze ermöglichen11,12,13,14,15,16. Der erhöhte osmotische Druck, die Membranverschmutzung und die durch den Kuchen erhöhte Konzentrationspolarisierung, die beim druckgesteuerten Nanofiltrationsprozess auftritt, führen jedoch zu einem schädlichen Rückgang des Membranflusses, wodurch die Trenneffizienz der organischen und anorganischen Salze minimiert wird17,18,19. Darüber hinaus sollte das druckgesteuerte Nanofiltrations-Diafiltrationsverfahren mit einem hohen Verbrauch an reinem Wasser implementiert werden, um die Fraktionierung organischer und anorganischer Salze zu erreichen, was zwangsläufig zu einem erheblichen Verlust der organischen Zielstoffe führt und somit die Systemproduktivität verringert10,20.

Als alternativer Ansatz zur Nanofiltration wird die Elektrodialyse als Weg zur Entsalzung von salzhaltigen, organikreichen Abwässern vorgeschlagen, die den Transfer von Kationen und Anionen durch Kationenaustauschmembranen (CEMs) und Anionenaustauschmembranen (AEMs) unter einem elektrischen Gleichstromfeld ermöglicht21 ,22,23. Dennoch wandern die meisten organischen Verbindungen mit negativen Ladungen in den salzhaltigen organischen Abwässern über elektrostatische Anziehung zu den AEMs, was die Membranverschmutzung während des Elektrodialyseprozesses verschlechtert24,25,26, die Übertragungseffizienz der Anionen erheblich einschränkt und die Fraktionierung der Anionen gefährdet organische und anorganische Salze.

Durch die Integration der technischen Vorzüge und Vorteile der druckgetriebenen Nanofiltration (nanoporöse Membranen, NPMs) und des Elektrodialyseprozesses (elektrogetriebener Prozess mit niedrigem/null Druck) haben wir hier ein neues elektrogetriebenes Membransystem unter Verwendung von nanoporösem TFC-Polyamid entwickelt ( PA)-Membranen (mit einem Molekulargewichtsgrenzwert (MWCO) von 200–1.000 Da) als anionenleitende Membranen (ACMs) als Ersatz für die in der konventionellen Elektrodialyse verwendeten AEMs. Diese Strategie verringert sowohl die Membranverschmutzung als auch den Ionentransfer. Aufgrund der nanoporösen Struktur der Membranen können die Anionen unter einem direkten elektrischen Feld durch die Nanokanäle der TFC-PA-Membranen wandern. Allerdings sind nanoporöse TFC-PA-Membranen stark negativ geladen und können den Anionentransfer durch elektrostatische Abstoßung erheblich behindern und somit die Entsalzungseffizienz im Stromfeld verschlechtern. Daher ist es wichtig, die Oberflächeneigenschaften der nanoporösen PA-Membranen molekular anzupassen, um den Ladungsabschirmungseffekt zu verstärken und so den Anionentransfer und die Selektivität für gelöste Stoffe zu verbessern und gleichzeitig die organischen Stoffe effektiv und ohne Verschmutzung abzutrennen. Um die Eigenschaften der Membranoberfläche zu modulieren, wird eine bioinspirierte Polydopamin (PDA)-basierte Beschichtung auf einer PA-Nanofiltrationsmembran als neuartige und skalierbare Strategie zum Aufbau einer multifunktionalen Oberfläche für eine verbesserte Membranleistung vorgeschlagen27,28. Es gibt jedoch nur begrenzte Beispiele für PDA-beschichtete NPMs im elektrobetriebenen Membranprozess mit einigen Anwendungen in der druckbetriebenen Membranfiltration oder superhydrophilen Oberflächenmodifikationen29,30.

In diesem Artikel stellen wir das Design von oberflächentechnisch hergestellten, stark anionenleitenden, Antifouling-TFC-NPMs vor, die eine einfache gemeinsame Abscheidung von Dopamin und Polyethylenimin (PEI) für eine effektive elektrodialytische Fraktionierung der organischen und anorganischen Salze aus salzhaltigen organischen Substanzen ermöglichen. reichhaltige Abwässer (Abb. 1a,b). Die gleichzeitige Abscheidung von Dopamin und PEI optimiert effektiv die Oberflächeneigenschaften der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs als ACMs, was sowohl die Selektivität für gelöste Stoffe erhöht (wie aus den experimentellen Daten hervorgeht) als auch einen Ionenabschirmungseffekt für einen schnellen elektrodialytischen Anionentransfer zeigt wie durch Molekulardynamiksimulation (MD) gezeigt. Das optimale PDA/PEI-beschichtete TFC-NPM weist eine Entsalzungseffizienz von über 99,3 % und eine Rückgewinnung organischer Stoffe von mehr als 99,1 % für eine hochwirksame elektrodialytische Fraktionierung verschiedener gemischter organischer Stoffe/NaCl-Lösungen auf. Schließlich zeigen wir, dass PDA/PEI-beschichtete TFC-NPMs außergewöhnlich stabil sind und in einem elektrodialytischen Trennvorgang mit 18 Zyklen eine beeindruckende Fraktionierungsleistung mit vernachlässigbarer Verschmutzungsneigung erzielen. Dies unterstreicht die Praktikabilität von oberflächentechnisch hergestellten TFC-NPMs als fortschrittliche ACMs in der einstufigen elektrobetriebenen Fraktionierung der organischen und anorganischen Salze aus komplexen salzhaltigen, organisch reichen Abwässern für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft.

a, Schematische Darstellung der bioinspirierten Beschichtung von TFC NPM auf Dopaminbasis. b, Stapelkonfiguration eines neuartigen elektrobetriebenen Trennverfahrens unter Verwendung der PDA/PEI-beschichteten NPMs als ACMs für die einstufige elektrodialytische Fraktionierung von organischen Stoffen und NaCl. c, Oberflächen- und Querschnitts-REM-Bilder des losen TFC-NPM-Substrats. d, Oberflächen- und Querschnitts-REM-Bilder des TFC-NPM nach 36-stündiger PDA/PEI-Beschichtung (NPM-6). e, Oberflächenhydrophilie der TFC-NPMs. f, Zetapotential der TFC-NPMs. g, Spezifischer elektrischer Flächenwiderstand der TFC-NPMs. h, Beziehung zwischen MWs von Poly(ethylenglykol)-Polymeren und ihrer Ablehnung für die TFC-NPMs, wobei die Symbole gemessene Daten und die mit Gleichung S4 in den Zusatzinformationen modellierten Kurven darstellen. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung aus Dreifachmessungen doppelter Proben dar.

Quelldaten

Ein loses Poly(piperazinamid)-TFC-NPM mit einem MWCO von 682 ± 17 Da wurde als Substrat für die Herstellung hochanionenleitfähiger TFC-NPMs durch gleichzeitige Abscheidung von Dopamin und PEI bei pH 8,5 verwendet (Abb. 1a). Die beschichteten TFC-NPMs wurden der Dopamin/PEI-Lösung unterschiedlich lange ausgesetzt, nämlich 6, 12, 18, 24, 30 und 36 Stunden, und wurden als NPM-1, NPM-2, NPM-3, NPM-1, 4, NPM-5 bzw. NPM-6. In der Zwischenzeit wurde das lose TFC-NPM-Substrat als NPM-0 bezeichnet und als Kontrolle verwendet. Die Oberflächenfarbe der beschichteten TFC-Membranen änderte sich von einem weißen Muster zu einem hellgelben Muster und schließlich zu einem braunen Muster (ergänzende Abbildung 1), was die erfolgreiche und homogene Polymerisation von Dopamin und PEI auf den Membranoberflächen zeigt. Dies wurde durch Rasterelektronenmikroskopbilder (SEM) weiter bestätigt (ergänzende Abbildung 2). Die Analyse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie bewies, dass die gleichzeitige Ablagerung von Dopamin und PEI auf dem losen NPM-Substrat durch Schiff-Base- oder/und Michael-Additionsreaktionen induziert wurde (Ergänzende Abbildungen 3 und 4). Eine solche PDA/PEI-Komplexbeschichtung ermöglicht eine Erhöhung der Dicke der selektiven Schicht für die PDA/PEI-beschichteten NPMs von 87,5 ± 8,5 nm (NPM-0) auf 135,0 ± 12,6 nm (NPM-6), wie durch Atomkraft nachgewiesen Mikroskopiemessungen (AFM) (Ergänzende Abbildungen 5 und 6).

Darüber hinaus können die Oberflächeneigenschaften (Hydrophilie, Oberflächenladungen, spezifischer elektrischer Flächenwiderstand und Porengröße) der PDA/PEI-beschichteten NPMs durch gleichzeitige Ablagerung von Dopamin und PEI auf dem losen NPM-Substrat präzise eingestellt werden (Abb. 1e). -H). Insbesondere werden die Oberflächen der beschichteten NPMs aufgrund der Interkalation der PEI-Moleküle mit positiven Ladungen durch Copolymerisation mit Dopamin hydrophiler und weniger negativ geladen (Abb. 1e, f). Eine solche PDA/PEI-Komplexbeschichtung kann den spezifischen elektrischen Flächenwiderstand der beschichteten NPMs durch eine verringerte negative Ladungsdichte an der Oberfläche minimieren (Abb. 1g). Wie erwartet verringerte sich der spezifische Flächenwiderstand der beschichteten TFC-NPMs nach einer 36-stündigen Abscheidung der PDA/PEI-Komplexschicht von 10,47 ± 0,43 (NPM-0) auf 5,69 ± 0,13 Ω cm2 (NPM-6). vorteilhaft für eine verbesserte Ionenleitfähigkeit unter einem elektrischen Feld. Gleichzeitig wurde die Porengröße der beschichteten TFC-NPMs deutlich reduziert, da die PDA/PEI-Komplexbeschichtung die Hohlraumstruktur des losen NPM-Substrats ausreichend überbrücken kann, was die Retention organischer Stoffe verbessern kann (was sich in der Reduzierung des MWCO und des effektiven Mittelwerts widerspiegelt). Porengröße in Abb. 1h, ergänzende Abb. 7 und ergänzende Tabelle 3). Diese Änderung der Oberflächeneigenschaften verleiht den PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs eine erhöhte Selektivität der organischen Stoffe gegenüber anorganischen Salzen (d. h. NaCl).

Eine druckgesteuerte Filtration wurde durchgeführt, um die Selektivität der PDA/PEI-beschichteten NPMs für gelöste Stoffe zwischen anorganischen Salzen (d. h. NaCl) und organischen Stoffen zu veranschaulichen. In dieser Studie wurden vier Antibiotika, nämlich Ceftriaxon-Natrium, Cefotaxim-Natrium, Carbenicillin-Dinatrium und Ampicillin-Natrium, als organische Modellsubstanzen ausgewählt. Die Abstoßung von Antibiotika für die PDA/PEI-beschichteten NPMs nahm zu, wenn die Beschichtungsdauer verlängert wurde (ergänzende Abbildung 8a), was auf die Verringerung der Porengröße der PDA/PEI-beschichteten NPMs zurückgeführt wurde, wodurch die Abstoßung organischer Stoffe verstärkt wurde über Größenausschlusseffekt. Beispielsweise zeigte die NPM-6-Membran eine Abstoßung von 98,5 ± 0,2 % gegenüber Ampicillin-Natrium und übertraf damit deutlich das makellose lose NPM-0-Substrat (88,9 ± 0,5 %). Umgekehrt nahm die Zurückweisung von NaCl für die PDA/PEI-beschichteten NPMs mit zunehmender Beschichtungsdauer unerwartet ab (ergänzende Abbildung 8b). Dies könnte auf die Verringerung der negativen Oberflächenladungsdichte der beschichteten NPMs zurückgeführt werden (die sich in der Änderung des Zetapotentials in Abb. 1f widerspiegelt), was zu einer verringerten elektrostatischen Abstoßung für eine schnelle NaCl-Übertragung führt31,32,33.

Sowohl organische als auch anorganische Salze (d. h. NaCl) kommen in echten Salzlösungen, die reich an organischen Stoffen sind, nebeneinander vor. Das Vorhandensein anorganischer Salze würde das Trennverhalten der TFC-NPMs erheblich beeinflussen, was die Abschirmwirkung für eine verringerte Retention gelöster Stoffe verstärkt7,34. Insbesondere nahm die Abstoßung organischer Stoffe für das unberührte lose NPM-Substrat (d. h. NPM-0) mit zunehmender NaCl-Konzentration deutlich ab, was zu einer verringerten Selektivität zwischen NaCl und Antibiotika in den gemischten Antibiotika/NaCl-Lösungen als Futtermittel führte (Abb. 2a). Nach dem Auftragen der PDA/PEI-Komplexschicht zeigten die beschichteten TFC-NPMs in denselben Antibiotika/NaCl-Mischlösungen eine zunehmende Abstoßung gegenüber organischen Stoffen (Abb. 2b und ergänzende Abb. 9). Der schädliche Einfluss der Anwesenheit von NaCl auf die Abstoßung organischer Stoffe wurde für die PDA/PEI-beschichteten NPMs mit einer Beschichtungsdauer von 36 Stunden (d. h. NPM-6) minimiert. Die Abstoßung aller Antibiotika durch die NPM-6-Membran wurde mit steigenden NaCl-Konzentrationen geringfügig verringert, da der Größenausschlusseffekt der NPM-6-Membran mit einer bemerkenswerten Verringerung ihrer Porengrößen maximiert wurde. Dies ermöglichte eine beeindruckende Steigerung der Selektivität von NaCl und Antibiotika für deren potenziell wirksame Fraktionierung (Abb. 2c). Beispielsweise erreichte die Selektivität von NaCl und Ampicillin-Natrium in der Antibiotika/NaCl-Mischlösung durch die NPM-6-Membran 27,4, was viel höher war als die (d. h. 5,0) des makellosen losen NPM-0-Substrats während der Druck- angetriebenes Nanofiltrationsverfahren (Abb. 2c).

a,b, Abweisung von Antibiotika und NaCl für die NPM-0- bzw. NPM-6-Membranen beim Filtern verschiedener gemischter Antibiotika/NaCl-Lösungen. c, Selektivität zwischen NaCl und Antibiotikum für die NPM-0-, NPM-2-, NPM-4- und NPM-6-Membranen beim Filtern verschiedener Antibiotika/NaCl-Mischlösungen mit einer NaCl-Konzentration von 12 g l−1. d, Gehalt an Antibiotikum und NaCl im Zulauf während der auf Nanofiltration basierenden Diafiltration mit konstantem Volumen unter Verwendung der NPM-6-Membran zur Fraktionierung von Antibiotikum und NaCl aus einer Ceftriaxon-Natrium/NaCl-Mischlösung. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung aus Dreifachmessungen doppelter Filtrationsexperimente dar.

Quelldaten

Obwohl die PDA/PEI-beschichteten NPMs eine erhöhte Selektivität zwischen NaCl und Antibiotika zeigten, sollte für die Fraktionierung von Antibiotika und NaCl aus den Antibiotika/NaCl-Mischlösungen ein auf Nanofiltration basierendes Diafiltrationsverfahren mit konstantem Volumen unter Verwendung der NPM-6-Membran implementiert werden (Abb. 2d und ergänzende Abb. 10). Die Konzentration von NaCl in allen gemischten Antibiotika/NaCl-Lösungen nahm mit zunehmender Diavolumenzahl während der Diafiltration signifikant ab. Dies liegt daran, dass die geringe Gesamtrückhaltung von NaCl (<30 %) für die NPM-6-Membran ein schnelles Eindringen von NaCl durch die Membran ermöglichte (Ergänzende Abbildungen 11a–14a). Als die Diavolumenzahl auf 5,9–6,0 anstieg, verringerte sich die NaCl-Konzentration in allen gemischten Antibiotika/NaCl-Lösungen von 11,9 g l–1 auf 0,08 g l–1, was zu einer Entsalzungseffizienz von 99,3–99,4 % führte (Ergänzungstabelle 4). . Andererseits kann die NPM-6-Membran mit einer kleineren Porengröße die Antibiotika auch nach der Diafiltration der Antibiotika/NaCl-Mischlösungen wirksam zurückhalten. Mit zunehmender Diavolumenzahl konnten die Antibiotika jedoch immer noch zusammen mit dem Nanofiltrationspermeat durch die NPM-6-Membran dringen. Bei Antibiotika mit einem niedrigeren MW (z. B. Ampicillin-Natrium) wird eine moderate Menge der Antibiotika vom Feed zum Permeat transportiert, obwohl die NPM-6-Membran eine Antibiotika-Abstoßung von über 96 % aufwies. Folglich erreichte der Verlust von Ceftriaxon-Natrium, Cefotaxim-Natrium, Carbenicillin-Dinatrium und Ampicillin-Natrium vom Feed zur Permeatseite 4,18 %, 6,27 %, 8,98 % bzw. 11,47 % (Ergänzende Abbildungen 11b–14b). Daher kann das druckgesteuerte Diafiltrationsverfahren auf Nanofiltrationsbasis mit konstantem Volumen Antibiotika während der Fraktionierung von Antibiotika und NaCl aus den Antibiotika/NaCl-Mischlösungen nicht ausreichend zurückgewinnen (Ergänzungstabelle 4).

Die PDA/PEI-beschichteten NPMs wurden als ACMs verwendet, um die AEMs in der herkömmlichen Elektrodialyse zu ersetzen und ihre elektrogetriebene Trennleistung zu bewerten (Abb. 3). Während der elektrogetriebenen membranbasierten Trennung kann eine ausreichende Entsalzung der reinen NaCl-Lösungen erreicht werden, indem die PDA/PEI-beschichteten NPMs als ACMs verwendet werden (Abb. 3a). Beispielsweise erzielte die NPM-6-Membran einen Entsalzungswirkungsgrad von 99,5 % für die reine NaCl-Lösung bei einem minimalen Energieverbrauch von 5,86 ± 0,10 kWh kg−1 während 124 Minuten Betrieb (Abb. 3b, c), was vergleichbar war mit kommerzielle AEMs (Ergänzende Abbildung 15b, d, e). Dies zeigt eine beeindruckende Anionentransferkapazität der PDA/PEI-beschichteten NPMs zur Entsalzung (Abb. 3d). Die bemerkenswerte Verbesserung des Anionentransfers der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs wurde hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückgeführt: (1) ausreichend Nanokanäle und kurze Ionendiffusionswege, die durch die intrinsisch dünne selektive Schicht der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs verursacht werden ermöglichen einen effektiven Anionentransfer im elektrischen Feld; (2) Die verringerte negative Ladungsdichte der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs verstärkt den Abschirmeffekt und senkt somit die Energiebarriere (d. h. die elektrostatische Abstoßung) zwischen Anionen und der Membranoberfläche für den Anionentransfer. Obwohl kommerzielle AEMs mit einer nichtporösen Struktur im Allgemeinen reichlich positiv geladene quartäre Ammoniumgruppenstellen aufweisen, liegt ihre Dicke in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern, was einen längeren Ionendiffusionsweg für den Anionentransfer bietet (ergänzende Abbildung 15c). Daher stellt eine solche Verbesserung der Anionenleitfähigkeit der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs einen wichtigen konzeptionellen Rahmen für die einfache Entwicklung kostengünstiger ACMs dar.

a, Entwicklung der Leitfähigkeit sowohl im Konzentrat als auch im Diluat. b, NaCl-Konzentration im Diluat und Entsalzungseffizienz. c, Energieverbrauch. d, Darstellung des Anionentransferwegs durch die TFC-NPMs während der elektrodialytischen Trennung. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von Dreifachmessungen dar.

Quelldaten

Darüber hinaus untersuchten wir die Fraktionierungswirksamkeit der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs (d. h. NPM-6) in den gemischten Antibiotika/NaCl-Lösungen unter einem elektrischen Feld. Eine ausreichende Anionentransferkapazität verlieh der NPM-6-Membran eine Entsalzungseffizienz von >99,3 % für alle gemischten Antibiotika/NaCl-Lösungen (Abb. 4a–d). Noch wichtiger ist, dass nur Spuren organischer Stoffe (<10 ppm) in die Konzentratseite gelangten, was auf eine ausreichende Fraktionierung aller Antibiotika (d. h. Ceftriaxon-Natrium, Cefotaxim-Natrium, Carbenicillin-Dinatrium und Ampicillin-Natrium) und NaCl schließen lässt. Bei der elektrobetriebenen Trennung wurden aus den Antibiotika/NaCl-Mischlösungen (Tabelle 1) beispiellos hohe Rückgewinnungseffizienzen (>99,1 %) aller Antibiotika erzielt. Daher bieten die PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs mit einer dünnen nanoporösen Schicht beide Nanokanäle für einen effektiven, ungestörten Anionentransfer und halten organische Stoffe im Wesentlichen über einen verbesserten Größenausschlusseffekt zurück, wodurch eine extrem hohe Permselektivität zwischen NaCl und Antibiotika erreicht wird (das). beträgt bis zu 21.407 zwischen NaCl und Ceftriaxon-Natrium) (ergänzende Abbildung 16) und führt somit zu einer einstufigen Fraktionierung der organischen Stoffe und NaCl unter einem elektrischen Feld. Darüber hinaus übertraf ein solcher elektrogetriebener Trennprozess unter Verwendung der oberflächentechnisch hergestellten TFC-NPMs (d. h. NPM-6) als ACMs den druckgetriebenen Diafiltrationsprozess unter Verwendung der NPM-6-Membran als Nanofiltrationsmembran (Ergänzungstabelle 4) deutlich Fraktionierung der organischen Stoffe und NaCl im Hinblick auf die organische Rückgewinnung und den Wasserverbrauch.

a–d, Entwicklung der Leitfähigkeit im Konzentrat und Diluat während der Fraktionierung von Antibiotikum und NaCl in (a) Ceftriaxon-Natrium/NaCl, (b) Cefotaxim-Natrium/NaCl, (c) Carbenicillin-Dinatrium/NaCl und (d) Ampicillin-Natrium/ NaCl-Mischlösungen jeweils durch elektrobetriebenen Prozess unter Verwendung der NPM-6-Membran bei einem Strom von 0,5 A (Einschub: NaCl-Gehalt sowohl im Konzentrat als auch im Diluat und Antibiotikagehalt im Konzentrat). e, Details des MD-Simulationsbereichs (beachten Sie, dass Wassermoleküle der Übersichtlichkeit halber nicht im Simulationsbereich angezeigt werden). f, Driftgeschwindigkeit von Na+-, Cl−- und Ampicillin-Ionen mit Proben, die in den letzten 15 ns alle 200 fs-Intervalle über drei Läufe für das MD-System gesammelt wurden. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung aus drei Simulationsläufen dar.

Um die langfristige Lebensfähigkeit der PDA/PEI-beschichteten NPMs für die Fraktionierung der Antibiotika/NaCl-Mischlösungen in Frage zu stellen, wurde die Verschmutzungsneigung der NPM-6-Membran auf der Grundlage eines elektrobetriebenen Trennvorgangs mit 18 Zyklen untersucht (Abb. 5). ). In diesem elektrobetriebenen Trennvorgang mit 18 Zyklen wurde in jedem Zyklus eine nahezu identische Leistung für die Fraktionierung von Antibiotika (d. h. Ceftriaxon-Natrium) und NaCl beobachtet, die sich durch die überlegene Langzeitstabilität von TFC NPM mit einer konstant hohen Entsalzungseffizienz (99,3) auszeichnet –99,4%) über mehrere Zyklen (Abb. 5a,b). Eine solch extrem geringe Verschmutzungsneigung der NPM-6-Membran wurde außerdem durch den geringfügigen Anstieg ihres spezifischen elektrischen Flächenwiderstands nach dem elektrobetriebenen Trennvorgang mit 18 Zyklen demonstriert (Abb. 5b). Zusammenfassend kann die herausragende Gesamtfraktionierungsleistung der NMP-6-Membran durch ihre relativ kleine Porengröße erklärt werden, die die organischen Stoffe ausreichend zurückhielt und das Eindringen der organischen Stoffe in die innere Porenstruktur durch die Blockierung ihrer Nanokanäle behinderte. Dies garantiert schließlich einen effektiven Anionentransfer und eine Rückgewinnung der organischen Stoffe (>99,2 %) (Abb. 5c,d). Darüber hinaus trug die negativ geladene Oberfläche der NPM-6-Membran in gewissem Maße zur elektrostatischen Abstoßung der organischen Stoffe bei, wodurch die Verschmutzungsneigung verringert wurde. Erwartungsgemäß zeigte die NPM-6-Membran auch in der Huminsäure/NaCl-Mischlösung mit einem erhöhten Salzgehalt (~50 g·l−1 NaCl) während eines elektrodialytischen Trennvorgangs mit vier Zyklen eine bemerkenswerte Fouling-Resistenz gegen Huminsäure, was sich widerspiegeln lässt durch den nahezu identischen Abfall der Leitfähigkeit der Huminsäure/NaCl-Mischlösung (ergänzende Abbildung 17a) im Diluat für jeden Zyklus. Darüber hinaus lieferte die NPM-6-Membran eine beeindruckende Fraktionierung von Huminsäure und NaCl in der Huminsäure/NaCl-Mischlösung mit einer Entsalzungseffizienz von 99,2 % (ergänzende Abbildung 17b) und einer Huminsäure-Rückgewinnung von 99,6–99,7 % (ergänzende Abbildung). 17c).

a, Entwicklung der Leitfähigkeit im Konzentrat und im Diluat. b, NaCl-Gehalt im Diluat und seine Entsalzungseffizienz (Einschub: spezifischer elektrischer Flächenwiderstand von NPM-6 vor und nach der Verschmutzung). c, Gehalt an Ceftriaxon-Natrium im Konzentrat und seine Wiederfindungsrate. d, Schematische Darstellung des Anionentransfers der NPM-6-Membran während der elektrodialytischen Fraktionierung von Ceftriaxon-Natrium und NaCl.

Quelldaten

Im Gegensatz zu den AEMs mit positiv geladenen Gruppenstellen sorgen die PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs für einen verbesserten elektrodialytischen Transfer von Anionen, indem sie den Ladungsabschirmungseffekt verstärken. Darüber hinaus führten wir MD-Simulationen des Ionentransfers durch, um den Massentransportmechanismus der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs in der Elektrodialyse weiter aufzuklären (Abb. 4e, f und Zusatzfilme 1–3). Als das elektrische Feld über die PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs angelegt wurde, beobachteten wir, dass sich Cl−-Ionen durch die PDA/PEI-beschichteten NPMs in Richtung Anode bewegen, während sich Na+-Ionen in Richtung Kathode bewegen (Ergänzungsfilme 1 und 2). Darüber hinaus zeigen die berechnete negative Driftgeschwindigkeit von Cl−-Ionen und die positive Driftgeschwindigkeit von Na+-Ionen (Abb. 4f) die Bewegungsrichtung von Cl−- und Na+-Ionen unter dem elektrischen Feld. Obwohl zwischen der leicht negativ geladenen PDA/PEI-Komplexschicht und den negativ geladenen Cl−-Ionen eine schwache elektrostatische Abstoßung besteht, ist das angelegte elektrische Feld ausreichend stark, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden, sodass die Cl−-Ionen durch den PDA/PEI-Komplex gelangen können Schicht der beschichteten TFC-NPMs. Im Gegensatz dazu hatten Ampicillin-Ionen als organische Modellsubstanzen eine viel geringere Driftgeschwindigkeit von 2,2 × 10−6 Å fs−1 als Cl−-Ionen (Driftgeschwindigkeit von 7,0 × 10−5 Å fs−1), was darauf hindeutet, dass die Bewegung von Ampicillin-Ionen sind nicht auf einen festen Pol ausgerichtet, sondern sind im Vergleich zu den sich schnell bewegenden Cl−-Ionen nahezu stationär (Zusatzfilm 3). Daher wird die Bewegung der Ampicillin-Ionen durch das angelegte starke elektrische Feld nicht wesentlich beeinflusst. Aufgrund des Größenausschlusseffekts können die Ampicillin-Ionen effektiv von den PDA/PEI-beschichteten NPMs zurückgehalten werden und verbleiben auf der Diluatseite. Folglich konnten die Ampicillin- und Cl−-Ionen effektiv getrennt werden. Daher bestätigt die MD-Simulation weiter die Überlegenheit der elektrodialytischen Trennleistung unter Verwendung der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs als ACMs für eine effektive Fraktionierung von organischen Stoffen und NaCl.

Im Allgemeinen handelt es sich bei den herkömmlichen Elektrodialyseeinheiten, die mit AEMs ausgestattet sind, um eine Plattformtechnologie zur Entsalzung von Lösungen, die reich an salzhaltigen organischen Stoffen sind. Die kommerziellen AEMs (d. h. AEM-5) litten jedoch unter schwerwiegender Membranverschmutzung bei einem 12-Zyklen-Elektrodialyse-Trennvorgang während der Fraktionierung der Antibiotika (d. h. Ceftriaxon-Natrium) und NaCl in der gemischten Antibiotika/NaCl-Lösung (Ergänzung). Abb. 18). Dies wurde hauptsächlich auf die elektrostatische Anziehung zwischen negativ geladenen organischen Stoffen (d. h. Ceftriaxon-Ionen) und positiv geladenen quartären Ammoniumgruppenstellen der AEMs zurückgeführt (ergänzende Abbildung 18e), die sowohl eine Porenblockade der AEMs induzieren als auch das Positive erheblich reduzieren kann Ladungsdichte der AEMs (was sich in der bemerkenswerten Erhöhung des spezifischen elektrischen Flächenwiderstands der AEM-5-Membran nach Verschmutzung in der ergänzenden Abbildung 18d widerspiegelt), was den Anionentransfer behindert. Die Verschmutzung der kommerziellen AEM-5-Membran erforderte eine längere Betriebsdauer, um die anorganischen Salze (d. h. NaCl) aus dem Einsatzmaterial (d. h. Diluat) für jeden Zyklus zu entfernen, was zu einer verringerten Entsalzungseffizienz führte (ergänzende Abbildung 18a). Insbesondere sank die Entsalzungseffizienz der kommerziellen AEM-5-Membran in der Ceftriaxon-Natrium/NaCl-Mischlösung nach dem 12-Zyklen-Elektrodialyse-Trennvorgang von 98,0 % auf 97,5 %. Dementsprechend wurde der NaCl-Gehalt in der Ceftriaxon-Natrium/NaCl-Mischlösung beim 12-Zyklus-Trennvorgang auf einem Niveau von >0,24 g l−1 gehalten (ergänzende Abbildung 18b). Andererseits werden negativ geladene Ceftriaxon-Ionen durch elektrostatische Anziehung unter dem elektrischen Feld zwangsläufig durch die AEM-5-Membran auf die Konzentratseite übertragen, was zu einem hohen Gehalt an Ceftriaxon-Natrium (>41 mg l−1) auf der Konzentratseite und einem niedrigen Gehalt führt Antibiotika-Rückgewinnung (<95,9 %) (ergänzende Abbildung 18c). In ähnlicher Weise kam es auch bei der AEM-5-Membran zu einer Verschlechterung der Fraktionierungsleistung in der Huminsäure/NaCl-Mischlösung bei erhöhtem Salzgehalt (~50 g·l−1 NaCl), was auf die durch Huminsäure während eines elektrodialytischen Trennvorgangs mit vier Zyklen verursachte Verschmutzung zurückzuführen war (Ergänzende Abb. 19a). Insbesondere die AEM-5-Membran hatte eine abnehmende Entsalzungseffizienz von 98,9 % auf 98,6 % (ergänzende Abbildung 19b). Gleichzeitig wurde im Konzentrat eine Huminsäurekonzentration von über 32 mg l−1 beobachtet, was zu einer Huminsäureausbeute von ca. 1 % führte. 96,7 % (ergänzende Abbildung 19c). Folglich ermöglicht die Elektrodialyse, die mit kommerziellen AEMs als ACMs ausgestattet ist, den Transfer von organischen Stoffen durch die AEMs mit einem moderaten Verlust an organischen Zielstoffen, was für die Fraktionierung von organischen Stoffen und NaCl ungünstig ist.

Daher kann die Verwendung von bioinspirierten PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs als ACMs im elektrodialytischen Trennprozess die effiziente einstufige Fraktionierung der organischen und anorganischen Salze (d. h. NaCl) aus salzhaltigen, organikreichen Lösungen, die Antibiotika enthalten, erleichtern. deutlich besser als die kommerziellen AEMs. Ziel dieser Proof-of-Concept-Studie war es, sowohl die organischen und anorganischen Salze zur Ressourcenrückgewinnung aus verschiedenen salzhaltigen, organisch reichen Abfallströmen effektiv zu sieben als auch Richtlinien für die einfache Gestaltung maßgeschneiderter, kostengünstiger und leistungsstarker ACMs zur Nachrüstung herkömmlicher Hochleistungs-ACMs bereitzustellen. Fouling-AEMs in elektrobetriebenen Trennanwendungen für eine nachhaltige Bewirtschaftung anspruchsvoller Abfallströme.

Im Handel erhältliches, loses Poly(piperazinamid)-TFC-NPM (LNFM-1, MWCO 682 ± 17 Da) wurde von Guangdong Yinachuan Environmental Technology gekauft und als Substrat für die Herstellung fortschrittlicher ACMs verwendet. Das kommerzielle CEM (CJMC-3) für den Kationentransfer in der Elektrodialyse wurde freundlicherweise von ChemJoy Polymer Materials zur Verfügung gestellt. Vier kommerzielle AEMs wurden von Guangdong Yinachuan Environmental Technology, Shandong Tianwei Membrane Technology, Fumatech und ASTOM geliefert und als AEM-1 (AEM-N1), AEM-2 (TWEDA1R70), AEM-3 (FAS-30) und AEM bezeichnet -4 (FAS-PET-130) bzw. AEM-5 (Neosepta@AMX). Die wichtigsten Eigenschaften dieser kommerziellen AEMs sind in der Ergänzungstabelle 1 aufgeführt.

PEI (durchschnittliches MW 600 Da, 99 %) und Tris(hydroxymethyl)-aminomethan (Tris, >99 %) wurden von Shanghai Aladdin Biochemical Technology geliefert. Dopaminhydrochlorid (>98 %) wurde von Sigma-Aldrich geliefert. Diese Chemikalien wurden im Originalzustand zur Oberflächenbeschichtung des losen NPM verwendet. Vier Antibiotika, nämlich Ceftriaxon-Natrium (MW 598,5 Da, >98 %), Cefotaxim-Natrium (MW 477,5 Da, 99,5 %), Carbenicillin-Dinatrium (MW 422,4 Da, USP-Qualität) und Ampicillin-Natrium (MW 371,4 Da, USP-Qualität). wurden von Shanghai Aladdin Biochemical Technology gekauft. NaCl (>99,0 %) wurde von Sigma-Aldrich geliefert. Die Chemikalien wurden wie erhalten ohne jegliche Reinigung verwendet.

Die von Muscheln inspirierte Beschichtung auf dem losen TFC-NPM-Substrat wurde durch gleichzeitige Abscheidung von Dopamin und PEI durchgeführt, wie in Abb. 1a dargestellt. Der lose NPM-Substratcoupon wurde zunächst in die speziell angefertigte runde Form geladen, die es der Membranoberfläche ermöglichte, mit der Seite nach oben zu stehen. Anschließend wurden Dopaminhydrochlorid (2,0 g l−1) und PEI (2,0 g l−1) durch kräftiges Rühren homogen in einer Tris-Pufferlösung (50 mmol l−1, pH 8,5) gelöst. Dann wurde die so zubereitete Dopamin/PEI-Mischlösung sofort in die Form gegossen, um eine muschelartige Oberflächenbeschichtung auf dem losen TFC-NPM-Substrat zu erzielen. Die Dauer der Co-Deposition-Beschichtung wurde auf 0, 6, 12, 18, 24, 30 bzw. 36 Stunden festgelegt. Die resultierenden Membranen bei unterschiedlichen Beschichtungsdauern wurden als NPM-0 (unberührt), NPM-1, NPM-2, NPM-3, NPM-4, NPM-5 bzw. NPM-6 bezeichnet.

Die Oberflächen- und Querschnittsmorphologien der Membranen wurden durch REM (NOVA NanoSEM 230; NOVA NanoSEM 450) sichtbar gemacht. Die chemische Oberflächenzusammensetzung der Membranen wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie mit dem Axis Supra+-Spektrometer (Kratos Analytical) aufgezeichnet. Die selektive Schichtdicke der Membranen wurde mittels AFM (Agilent 5500) bestimmt, wie in den Zusatzinformationen ausführlich beschrieben.

Die Oberflächenhydrophilie der Membranen wurde mit einem optischen Oberflächenanalysator (OSA200, Ningbo Scientific Instruments Company) gemessen. Die Oberflächenladung der Membranen wurde mit einem elektrokinetischen Analysegerät (SurPASS, Anton Paar GmbH) in einer 10,0 mmol l−1 NaCl-Elektrolytlösung bei pH 6,7 im Hinblick auf das Zetapotential bewertet. Der spezifische elektrische Flächenwiderstand der Membranen wurde mit einer speziell entwickelten Widerstandsanalysezelle mit vier Kompartimenten (ChemJoy Polymer Material) in einer 0,5 mol l-1 NaCl-Lösung ermittelt, wie in den Zusatzinformationen ausführlicher dargestellt. Die Porengröße und der MWCO der Membranen wurden durch Trennung von 0,2 g l-1 Poly(ethylenglykol)-Lösungen mit verschiedenen MWs gemessen, wie in den Zusatzinformationen beschrieben.

Die druckgesteuerte Trennung der beschichteten TFC-NPMs wurde unter Verwendung einer speziell entwickelten Querstromfiltrationseinheit bei 4 bar und 25 ± 1 °C durchgeführt, um ihre Selektivität zwischen den organischen Stoffen und dem anorganischen Salz (d. h. NaCl) zu bewerten (Ref . 35). Zunächst wurde das TFC-NPM-Probenstück (effektive Fläche 22,9 cm2) vorab durch Filtern des Reinwassers bei 6 bar unter Druck gesetzt, um einen gleichmäßigen Permeatfluss zu erreichen. Anschließend erfolgte die Filtration einzelner reiner NaCl-Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen (d. h. 1,0, 3,0, 7,5 und 12,0 g l-1) oder Antibiotikalösungen (d. h. 1,0 g l-1 Ceftriaxon-Natrium, Cefotaxim-Natrium, Carbenicillin-Dinatrium oder Ampicillin-Natrium). durchgeführt. Abschließend wurde eine Trennung der Antibiotika/NaCl-Mischlösungen mit unterschiedlichen NaCl-Konzentrationen (z. B. bis zu 12,0 g l−1) durchgeführt, um die Selektivität zwischen den Antibiotika und NaCl der TFC-NPMs zu bewerten. Die Zurückweisung (R) der gelösten Stoffe wurde mit Gleichung (1) berechnet:

Dabei sind Cp und Cf die Konzentration der im Permeat bzw. Futter vorhandenen Antibiotika bzw. NaCl. Die Konzentration der Antibiotika wurde mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (Genesys 10S UV-Vis-Spektrophotometer, Thermo Scientific)36,37,38,39 gemessen.

Die Selektivität (S) zwischen Cl− und den Antibiotika für die TFC-NPMs wurde mit Gleichung (2)40 berechnet:

wobei RNaCl und Rorganics die Abweisung von NaCl bzw. Antibiotika für die TFC-NPMs beim Filtern der gemischten Antibiotika/NaCl-Lösungen sind.

Um die organischen Stoffe (d. h. Antibiotika) und NaCl durch einen druckgesteuerten Trennprozess zu fraktionieren, wurde eine auf Nanofiltration basierende Diafiltration mit konstantem Volumen unter Verwendung eines TFC NPM (d. h. NPM-6) mit dem speziell entwickelten Querstrom durchgeführt Filtersystem bei 4 bar und 25 ± 1 °C (Ref. 35). Konkret wurde eine 300 ml gemischte organische Substanz/NaCl-Lösung (1,0 g l-1 organische Substanz und ~12 g l-1 NaCl) als Zufuhr verwendet. Reines Wasser mit verschiedenen Diavolumenwerten (η, definiert als das Volumenverhältnis zwischen zugesetztem reinem Wasser und dem Feed während der Diafiltration) wurde dem Feed mit einer identischen Geschwindigkeit wie dem Permeat zugesetzt, um das Feedvolumen unverändert zu lassen.

Die Rückhaltung gelöster Stoffe (Rs) der TFC-NPMs während des auf Nanofiltration basierenden Diafiltrationsverfahrens mit konstantem Volumen wurde durch Gleichung (1) bestimmt.

Die Rückgewinnungsrate (α) der organischen Stoffe während der auf Nanofiltration basierenden Diafiltration mit konstantem Volumen wurde unter Verwendung von Gleichung (3) berechnet:

wobei Cinitial,organics und Cfinal,organics die Anfangs- bzw. Endkonzentration des Antibiotikums im Futter darstellen.

Die Entsalzungseffizienz (β) der auf Nanofiltration basierenden Diafiltration mit konstantem Volumen wurde unter Verwendung von Gleichung (4) berechnet:

wobei Cinitial,NaCl und Cfinal,NaCl die Anfangs- bzw. Endkonzentration von NaCl im Futtermittel darstellen.

Die elektrogetriebene Trennleistung der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs als ACMs wurde in einer speziell entwickelten Elektrodialysezelle (ChemJoy Polymer Material) bewertet, in der die AEMs für den Anionentransfer ersetzt wurden, um die gemischten Lösungen aus organischen Stoffen und NaCl zu fraktionieren (Abb . 1b). Die Elektrodialysezelle bestand aus einer Kathode, einer Anode und einem Membranstapel (ergänzende Abbildung 14a), in die abwechselnd drei Stücke der CEM-Coupons und zwei Stücke der TFC-NPMs (effektive Fläche von 19,4 cm2 für jedes Membrancoupon) eingesetzt wurden. Als Elektrolyt wurde sowohl in der Kathoden- als auch in der Anodenkammer eine 0,3 mol l−1 Na2SO4-Lösung verwendet.

Zunächst wurden 300 ml reine NaCl-Lösung (ca. 12 g l−1) als Beschickung (Diluat) bei der elektrodialytischen Trennung bei einem angelegten Strom von 0,5 A verwendet, um die Anionentransferkapazität der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs für die Entsalzung zu untersuchen reine NaCl-Lösungen. Die NaCl-Zwischenlösung im Konzentratraum hatte eine identische Salzkonzentration wie die Zufuhr (Diluat). Um die Membranleistungen der oberflächentechnisch hergestellten TFC-NPMs zu vergleichen, wurden vier kommerzielle AEMs (d. h. AEM-1, AEM-2, AEM-3, AEM-4 und AEM-5) als ACMs in der dafür konzipierten elektrodialytischen Trennzelle eingesetzt Entsalzung reiner NaCl-Lösungen. Als die Leitfähigkeit der Zufuhr auf 0,16 mS cm−1 sank, wurde der elektrodialytische Trennvorgang sofort gestoppt.

Der Energieverbrauch (E) und die Entsalzungseffizienz (γ) des elektrodialytischen Trennprozesses wurden durch die Gleichungen (5) bzw. (6) bestimmt:

Dabei ist U die angelegte Spannung, I der angelegte Strom, M die Molmasse von NaCl und V das Volumen der Zufuhrlösung. \({C}_{{\rm{initial}},{\rm{NaCl}}}^{{\rm{e}}}\) und \({C}_{{\rm{final}} ,{\rm{NaCl}}}^{{\rm{e}}}\) stellen die Anfangs- bzw. Endkonzentration von NaCl im Einsatzmaterial (Diluat) dar.

Anschließend wurden weiterhin 300 ml Antibiotika/NaCl-Mischlösungen (d. h. Ceftriaxon-Natrium/NaCl, Cefotaxin-Natrium/NaCl, Carbenicillin-Dinatrium/NaCl oder Ampicillin-Natrium/NaCl) (1,0 g l-1 Antibiotikum und ~12 g l-1 NaCl) verwendet als Beschickung im elektrodialytischen Trennprozess unter Verwendung der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs (d. h. NPM-6) als ACMs für die Fraktionierung von Antibiotika und NaCl bei einem Strom von 0,5 A. Während der Entsalzung/Fraktionierung wird das Antibiotikum/NaCl gemischt Lösungen wurde der elektrodialytische Trennprozess beendet, als die Leitfähigkeit des Einsatzmaterials unter 0,2 mS cm−1 fiel.

Schließlich wurde die Verschmutzungsneigung der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs mit einem elektrodialytischen Trennvorgang mit 18 Zyklen unter Verwendung der Ceftriaxon-Natrium/NaCl-Mischlösung als Beschickung untersucht, um die Stabilität der oberflächentechnisch hergestellten TFC-NPMs (d. h. NPM) zu überprüfen -6) als ACMs für die praktische einstufige Fraktionierung von organischen Stoffen und NaCl. Gleichzeitig wurde der mit den kommerziellen AEMs (d. h. AEM-5) ausgestattete Elektrodialyseprozess unter Verwendung der Ceftriaxon-Natrium/NaCl-Mischlösung als Beschickung im 12-Zyklen-Elektrodialyse-Trennprozess unter den gleichen Filtrationsbedingungen durchgeführt, was die Überlegenheit der Oberfläche hervorhebt -Entwickelte TFC-NPMs zur Fraktionierung von Antibiotika und NaCl.

Die Entsalzungseffizienz (γ) während des elektrodialytischen Trennprozesses zur Fraktionierung von Antibiotika und NaCl wurde mithilfe von Gleichung (6) bestimmt.

Die Rückgewinnungsrate (δ) der Antibiotika während des elektrodialytischen Trennprozesses zur Fraktionierung von Antibiotika und NaCl wurde mithilfe von Gleichung (7) berechnet:

wobei \({C}_{{\rm{initial}},{\rm{organics}}}^{{\rm{e}}}\) die Anfangskonzentration der Antibiotika im Futter ist und \({ C}_{{\rm{final}},{\rm{organics}}}^{{\rm{e}}}\) ist die Endkonzentration der Antibiotika im Konzentratfach.

Die Permselektivität (P) zwischen Cl− und den Antibiotika für die TFC-NPMs während des elektrodialytischen Trennprozesses wurde mit Gleichung (8)41 berechnet:

wobei \({C}_{{\rm{organische Stoffe}}}^{{\rm{initial}}}\) und \({C}_{{\rm{organische Stoffe}}}^{{\rm{ final}}}\) sind die Anfangs- und Endkonzentration der Antibiotika im Futter (Diluat); \({C}_{{\rm{NaCl}}}^{{\rm{initial}}}\) und \({C}_{{\rm{NaCl}}}^{{\rm{final }}}\) ist die Anfangs- und Endkonzentration von NaCl im Feed (Diluat) während des elektrodialytischen Trennprozesses.

Darüber hinaus wurde die Entsalzungsleistung der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs (d. h. NPM-6) als ACMs mit einem elektrodialytischen Trennvorgang mit vier Zyklen unter Verwendung der Huminsäure/NaCl-Mischlösung als Beschickung weiter getestet, um ihre Machbarkeit zu demonstrieren bei der einstufigen Fraktionierung von Huminsäure und NaCl bei höherem Salzgehalt. Darüber hinaus waren die kommerziellen AEMs (d. h. AEM-5) für den Vergleich der Entsalzungsleistung mit den oberflächentechnischen TFC-NPMs zur Fraktionierung von Huminsäure und NaCl ausgestattet. Konkret wurden 300 ml Huminsäure/NaCl-Mischlösung (1,0 g l-1 Huminsäure und ~50 g l-1 NaCl) als Beschickung im elektrodialytischen Trennprozess verwendet, wobei sowohl NPM-6 als auch AEM-5 als ACMs für die Fraktionierung von Huminsäure verwendet wurden und NaCl bei einem Strom von 0,8 A. Es ist zu beachten, dass der erforderliche Energieverbrauch steigt und sich die Qualität des Verdünnungsprodukts mit zunehmendem Salzgehalt des Einsatzmaterials während des Elektrodialyseprozesses aufgrund der Rückdiffusion von Gegenionen verschlechtert42. Es hat sich gezeigt, dass die Elektrodialyse bei niedrigem Salzgehalt das kostengünstigere Entsalzungssystem ist43. Daher wurde der Salzgehalt der Huminsäure/NaCl-Mischlösung in diesem Fall auf 50 g l−1 eingestellt, was ausreichen kann, um die Entsalzungsleistung der ACMs bei erhöhtem Salzgehalt zu demonstrieren.

Um den Massentransportmechanismus der PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs in der Elektrodialyse zu untersuchen, haben wir das Übertragungsverhalten verschiedener Ionen (d. h. Cl−, Na+ und Ampicillin-Ionen) unter einem angelegten elektrischen Feld durch MD simuliert. Eine detailliertere Beschreibung der MD-Simulation finden Sie in den Zusatzinformationen.

Die Autoren erklären, dass die wichtigsten Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, in dem Papier enthalten sind. Wichtige, unverarbeitete experimentelle Datensätze für Abb. 1, 2 und 5 sind in Figshare verfügbar (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.21900870). Alle weiteren relevanten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

McCarty, PL, Bae, J. & Kim, J. Häusliche Abwasserbehandlung als Nettoenergieproduzent – kann dies erreicht werden? Umgebung. Wissenschaft. Technol. 45, 7100–7106 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Logan, BE & Rabaey, K. Umwandlung von Abfällen in Bioelektrizität und Chemikalien durch den Einsatz mikrobieller elektrochemischer Technologien. Wissenschaft 337, 686–690 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

DuChanois, RM et al. Entwicklung von Polymermembranen mit Koordinationschemie für hochpräzise Ionentrennungen. Wissenschaft. Adv. 8, m9436 (2022).

Artikel Google Scholar

Yao, Y. et al. Hochleistungs-Umkehrosmose-Entsalzungsmembran aus Polyester mit Chlorbeständigkeit. Nat. Aufrechterhalten. 4, 138–146 (2021).

Artikel Google Scholar

Zuo, K. et al. Multifunktionale nanobeschichtete Membranen für die elektrothermische Hochgeschwindigkeitsentsalzung von hypersalinem Wasser. Nat. Nanotechnologie. 15, 1025–1032 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lin, J. et al. Integriertes loses Nanofiltrations-Elektrodialyse-Verfahren zur nachhaltigen Ressourcengewinnung aus stark salzhaltigem Textilabwasser. J. Hazard. Mater. 419, 126505 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ye, W. et al. Nachhaltige Bewirtschaftung von Deponiesickerwasserkonzentrat durch Rückgewinnung von Huminstoff als Flüssigdünger durch lose Nanofiltration. Wasserres. 157, 555–563 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ahmad, NNR, Ang, WL, Leo, CP, Mohammad, AW & Hilal, N. Aktuelle Fortschritte bei Membrantechnologien für die Salzabwasserbehandlung: eine umfassende Übersicht. Entsalzung 517, 115170 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Mandeep, Gupta Kumar, G. & Shukla, P. Einblicke in die Ressourcengewinnung aus Abfällen der Zellstoff- und Papierindustrie: Herausforderungen, Perspektiven und Innovationen. Bioressourcentechnologie. 297, 122496 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, X. Selektive Trennmembranen zur Fraktionierung organischer Stoffe und Salze für die industrielle Abwasserbehandlung: Designstrategien und Prozessbewertung. J. Mitglied Wissenschaft. 643, 120052 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Lu, Y. et al. Zweidimensionale fraktale Nanokristalle als Vorlage für eine wesentliche Leistungssteigerung der Polyamid-Nanofiltrationsmembran. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 118, e2019891118 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liang, Y. et al. Polyamid-Nanofiltrationsmembran mit äußerst gleichmäßigen Poren im Subnanometerbereich für eine Präzisionstrennung unter 1 Å. Nat. Komm. 11. 2015 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, W. et al. Allgemeine Synthese von Nanokompositen aus ultrafeinem Metalloxid/reduziertem Graphenoxid für Ultrahochfluss-Nanofiltrationsmembranen. Nat. Komm. 13, 471 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, Z. et al. Nanopartikelbasierte Nanofiltrationsmembranen für die Entsalzung mit Höchstleistung. Nat. Komm. 9, 2004 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Shen, L. et al. Membranen auf Polyamidbasis mit struktureller Homogenität für ultraschnelle Molekularsiebung. Nat. Komm. 13.500 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Feng, X. et al. Präzise Nanofiltration in einer foulingresistenten, selbstorganisierten Membran mit wasserkontinuierlichen Transportwegen. Wissenschaft. Adv. 5, v9308 (2019).

Artikel Google Scholar

Lin, J. et al. Aufklärung des Flussverhaltens von superhydrophilen losen Nanofiltrationsmembranen während der Textilabwasserbehandlung. J. Mitglied Wissenschaft. 493, 690–702 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Guo, Y., Li, T., Xiao, K., Wang, X. & Xie, YF Wichtige Foulingstoffe und ihre interaktive Wirkung bei der organischen Verschmutzung von Nanofiltrationsmembranen. J. Mitglied Wissenschaft. 610, 118252 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, S., Cho, J. & Elimelech, M. Kombinierter Einfluss von natürlicher organischer Substanz (NOM) und kolloidalen Partikeln auf die Verschmutzung von Nanofiltrationsmembranen. J. Mitglied Wissenschaft. 262, 27–41 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, X., Zhang, C. & Ouyang, P. Die Möglichkeit, Saccharide aus einer NaCl-Lösung durch Nanofiltration im Diafiltrationsmodus abzutrennen. J. Mitglied Wissenschaft. 204, 271–281 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Al-Amshawee, S. et al. Elektrodialyse-Entsalzung für Wasser und Abwasser: eine Übersicht. Chem. Ing. J. 380, 122231 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, T. & Huang, C. Elektrodialysebasierte Trenntechnologien: eine kritische Überprüfung. AIChE J 54, 3147–3159 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Patel, SK, Qin, M., Walker, WS & Elimelech, M. Energieeffizienz der elektrobetriebenen Brackwasserentsalzung: Die Elektrodialyse übertrifft die membrankapazitive Entionisierung deutlich. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 54, 3663–3677 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xue, C. et al. Säureblau 9-Entsalzung mittels Elektrodialyse. J. Mitglied Wissenschaft. Rev. 493, 28–36 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, H., Hong, M., Han, S., Cho, S. & Moon, S. Verschmutzung einer Anionenaustauschmembran im Elektrodialyse-Entsalzungsprozess in Gegenwart organischer Verschmutzungen. Desalination 238, 60–69 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Hansima, MACK et al. Verschmutzung von Ionenaustauschmembranen, die bei der Elektrodialyse-Umkehr-Wasseraufbereitung verwendet werden: eine Übersicht. Chemosphere 263, 127951 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yang, H. et al. Dopamin: genau das richtige Medikament gegen Membranen. Adv. Funktion. Mater. 28, 1705327 (2018).

Artikel Google Scholar

Lee, H., Dellatore, SM, Miller, WM & Messersmith, PB Muschel-inspirierte Oberflächenchemie für multifunktionale Beschichtungen. Wissenschaft 318, 426–430 (2007).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Qiu, W., Yang, H. & Xu, Z. Dopamin-unterstützte Co-Abscheidung: eine neue und vielversprechende Strategie zur Oberflächenmodifikation. Adv. Kolloidschnittstellen Sci. 256, 111–125 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Ponzio, F. et al. Oxidationsmittelkontrolle der Polydopamin-Oberflächenchemie in Säuren: ein mechanismusbasierter Zugang zu superhydrophilen-superoleophoben Beschichtungen. Chem. Mater. 28, 4697–4705 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Teixeira, MR, Rosa, MJ & Nyström, M. Die Rolle der Membranladung auf die Nanofiltrationsleistung. J. Mitglied Wissenschaft. 265, 160–166 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Childress, AE & Elimelech, M. Zusammenhang zwischen der Leistung von Nanofiltrationsmembranen und den (elektrokinetischen) Eigenschaften der Membranladung. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 34, 3710–3716 (2000).

Artikel CAS Google Scholar

Jun, B. et al. Ladungseigenschaften (Oberflächenladung vs. Zetapotential) von Membranoberflächen zur Beurteilung des Salzabweisungsverhaltens von Nanofiltrationsmembranen. Sep. Purif. Technol. 247, 117026 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Richards, LA, Vuachère, M. & Schäfer, AI Einfluss des pH-Werts auf die Entfernung von Fluorid, Nitrat und Bor durch Nanofiltration/Umkehrosmose. Entsalzung 261, 331–337 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Lin, J. et al. Fraktionierung von Direktfarbstoffen und Salzen in wässriger Lösung mithilfe loser Nanofiltrationsmembranen. J. Mitglied Wissenschaft. 477, 183–193 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, J. & Luo, Appl. Surfen. Wissenschaft. 542, 148724 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, T. et al. Hocheffizienter photoelektrokatalytischer Abbau von Cefotaxim-Natrium auf der MoSe2/TiO2-Nanoröhren-Photoanode mit zahlreichen Sauerstoffleerstellen. J. Solid State Chem. 303, 122455 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Olad, A. & Nosrati, R. Verwendung der Response-Surface-Methode zur Optimierung des photokatalytischen Abbaus von Ampicillin durch ZnO/Polyanilin-Nanokomposit. Res. Chem. Intermediär. 41, 1351–1363 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Lin, C., Wang, Y., Shen, L. & Lin, C. Die Dentinpermeabilität entzündungshemmender und antibakterieller Arzneimittel: In-vitro-Studie. J. Formos. Med. Assoc 118, 828–832 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Liu, T. et al. Auf Ionen reagierende Kanäle einer Zwitterion-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Membran für schnelle Wasserpermeation und ultrahohe mono-/multivalente Ionenselektivität. ACS Nano 9, 7488–7496 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lan, Y. et al. Eine monovalente selektive Anionenaustauschmembran aus Poly(2,6-Dimethyl-1,4-Phenyloxid) zur Bromidrückgewinnung. Sep. Purif. Technol. 305, 122337 (2023).

Artikel Google Scholar

Yan, H. et al. Mehrstufige Batch-Elektrodialyse zur Konzentration von Lösungen mit hohem Salzgehalt: Prozessoptimierung, Wassertransport und Energieverbrauch. J. Mitglied Wissenschaft. 570–571, 245–257 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Shah, KM et al. Treiber, Herausforderungen und neue Technologien für die Entsalzung von Solen mit hohem Salzgehalt: eine kritische Überprüfung. Entsalzung 538, 115827 (2022).

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Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt vom National Key Research and Development Program of China (2021YFC3201400), der Natural Science Foundation of Fujian Province (2021J01628), dem Fujian Provincial Department of Science and Technology (2019Y0006), der Royal Society (IEC\NSFC\). 211021), der Royal Academy of Engineering (IF2223B-104) und dem Leverhulme Trust (RPG-2022-177). YML dankt für die finanzielle Unterstützung durch den Zuschuss des Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) (20202020800330). Das DHS dankt dem Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) und dem Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE) der Republik Korea (Nr. 20224000000100) für die Unterstützung. Die Rechenarbeit für diesen Artikel wurde (vollständig/teilweise) mit Ressourcen des National Supercomputing Centre (NSCC), Singapur (https://www.nscc.sg) durchgeführt. Wir danken R. Zhang und H. Chang von der Hebei University of Technology, China, für AFM- und SEM-Bildgebungsmessungen.

Ganjiang Innovation Academy, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Ganzhou, China

Jiuyang Lin

Schlüssellabor der Provinz Jiangxi für sauberere Produktion seltener Erden, Ganzhou, China

Jiuyang Lin

Schlüssellabor für Seltene Erden, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Ganzhou, China

Jiuyang Lin

Hochschule für Umwelt- und Sicherheitstechnik, Universität Fuzhou, Fuzhou, China

Jiuyang Lin, Shuangling Xie, Jiale Du, Riri Liu, Xiangyu Chen, Zijian Yu und Shengqiong Fang

Fujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation, College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, China

Wenyuan Ye

Abteilung für Energietechnik, College of Engineering, Hanyang-Universität, Seoul, Republik Korea

Dong Zou & Young Moo Lee

Engineering Cluster, Singapore Institute of Technology, Singapur, Singapur

Elisa Yun Mei Ang

Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Nanyang Technological University, Singapur, Singapur

William Toh & Teng Yong Ng

Hochschule für Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Hunan-Universität, Changsha, China

Dan Dan Han

Institut für Energiematerialien und -geräte, Korea Institute of Energy Technology (KENTECH), Naju, Republik Korea

Dong Han Seo

Institut für Grenzmaterialien, Deakin University, Geelong, Victoria, Australien

Shuaifei Zhao

Verfahrenstechnik für nachhaltige Systeme (ProcESS), Fakultät für Chemieingenieurwesen, KU Leuven, Leuven, Belgien

Bart Van der Bruggen

Fakultät für Chemieingenieurwesen, University of Bath, Bath, Großbritannien

Ming Xie

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JL, WY, MX und YML konzipierten die Idee und gestalteten die Forschung. JL, WY, SX, JD, RL, XC und ZY bereiteten die PDA/PEI-beschichteten TFC-NPMs vor und führten die druckgetriebenen und elektrogetriebenen Trennungsexperimente durch. EYMA, WT, DDH und TYN führten die MD-Simulation durch. JL, WY, DZ, SF, DHS, SZ, BVDB, MX und YML trugen zur Interpretation der Daten und zum Verfassen des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Jiuyang Lin, Wenyuan Ye, Ming Xie oder Young Moo Lee.

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.

Nature Water dankt Kyoung Jin Alicia An und dem anderen, anonymen Gutachter für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Ergänzende Methoden, Abb. 1–19 und Tabellen 1–4.

Übertragung von Cl−-Ionen unter einem angelegten elektrischen Feld von 1 × 10−2 V Å−1.

Übertragung von Na+-Ionen unter einem angelegten elektrischen Feld von 1 × 10−2 V Å−1.

Übertragung von Ampicillin-Ionen im Gleichgewichtszustand (ohne elektrisches Feld) und einem angelegten elektrischen Feld von 1 × 10−2 V Å−1.

Unverarbeitete Daten für Abb. 1.

Unverarbeitete Daten für Abb. 2.

Unverarbeitete Daten für Abb. 5.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lin, J., Ye, W., Xie, S. et al. Der Abschirmeffekt ermöglicht einen schnellen Ionentransfer durch die nanoporöse Membran für eine äußerst energieeffiziente Elektrodialyse. Nat Water (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00113-5

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Eingegangen: 25. Juli 2022

Angenommen: 01. Juli 2023

Veröffentlicht: 03. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-023-00113-5

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