陆邵随着社会的发展,大量的废液生成在化工、制药、印刷行业也在日常生活中。然而,废液也包含一些有用的化学物质。更重要的是,废液的处理和有用的物质的分离和回收具有重要意义。例如,截至2014年,大量的未经处理的有机废液~ 270万吨/年,造成经济损失5300亿美元(Cseri et al ., 2018)。传统分离技术,如多级蒸馏、吸附温度和共沸蒸馏,有一个大的碳足迹,这无疑增加了处理成本。与分离技术的巨大兴趣,此外,人们搜索驱动的低能耗分离技术是独立的流体的相变(Sholl明快,2016;活泼Sholl, 2017年)。例如,先进的膜分离技术使这样一个绿色的过程,可以大大减少能源消耗和碳排放,这是能够步伐常规蒸馏过程的强度的分离和纯化化合物(Jimenez-Solomon et al ., 2016;刘et al ., 2016;王et al ., 2018,2019年;Zhang et al ., 2019)。值得注意的是,新兴的能源消耗每升膜分离过程是1/25倍,在传统的蒸馏过程(Rundquist et al ., 2012;杨et al ., 2020)。
尽管新兴分离技术节约能源,很难完全取代传统分离技术由于大规模生产和不完美的开发(Cuperus闷烧,1991;王et al ., 2006,2012年;Striemer et al ., 2007;冯et al ., 2016)。目前,我们在一个时代新兴和传统分离技术所取代。此外,有必要总结当前常见问题领域的分离,这是没有意义的节约资源,实现可持续发展。在此基础上,本文旨在分析当前重要的分离过程中存在的问题,以指出新兴分离技术的研究路径来取代传统的分离技术。
废水处理和回收
传统的污水处理主要是通过缺氧好氧的(AO)和Anaerobic-Anoxic-Oxic (2O)流程(活性污泥法)。然而,传统的治疗技术经常导致污水质量差,由于不稳定的活性污泥在二次沉淀池。膜的外观(膜生物反应器技术)为解决这一问题奠定了基础。使用膜分离,实现高效分离含酸渣的废水,废水质量大大提高(康et al ., 2018)。然而,在这个过程中,膜污染导致了膜显著减少生活和增加了处理成本。此外,为了满足饮用水标准,常常需要进一步把污染物从污水。
治疗后的废水,传统分离技术主要包括海水淡化如蒸馏。尽管蒸馏是最有效的分离技术,所需的高能源消耗是50倍的最小能量,需要生产饮用水的海水根据热力学定义(张y . et al ., 2020),从而驱使人们寻找更合适的处理技术。
反渗透(RO)膜分离技术是一个优秀的候选人。能源消耗显著降低,只占~ 25%的热力学最小能量(珂珞语明快,2012;张y . et al ., 2020),因为这种分离过程中没有出现的阶段转换。然而,RO膜的透过非常低应用压力小于2 L m−2h−1酒吧−1,从而导致效率低下的水处理(李et al ., 2011)。增加磁导,卷膜模块被引入到治疗过程中有效提高膜渗透面积,导致水处理成本的增加。此外,当RO膜用于处理高浓度废水如高盐或悬浮物废水、RO膜的性能大幅降低膜污染。因此,在实际的应用程序中,一个单一的RO膜分离系统很难处理废水,这不可避免地需要使用一个集成的系统来达到最好的治疗效果。然而,集成的系统并不是一个长期的考虑。它迫切需要发展预算RO膜展示优秀的性能,提高运行的原始RO系统的可能性。
总之,重要的是减少运营成本,高磁导的发展,便宜,和抗污染反渗透膜,这有利于商业可行性的技术甚至在高度污染的水体的治疗。
温室气体捕获
温室气体主要包括二氧化碳、氧化亚氮、甲烷和氟利昂(Gorham 1991;Kasimir-Klemedtsson et al ., 2010)。其中,二氧化碳排放最有助于环境危害,占25% (Khalilpour et al ., 2015)。二氧化碳主要是由烧煤,石油,天然气,为经济发展和社会进步不可或缺的能源(Quadrelli彼得森,2007)。毫无疑问,清洁能源的推广之前,二氧化碳排放量将逐渐增加。更重要的是,二氧化碳的捕捉非常重要的保护环境和实现可持续发展。一个简单的二氧化碳捕获技术进行了总结表1。
表1。材料气体捕获。
传统的吸附剂吸附和解吸的能源消耗是高(罗谢尔,2009),这主要是由于高温二氧化碳解吸,所需的强吸附二氧化碳和吸附剂。例如,使用这种技术来捕获二氧化碳的烟气消耗了30%的能源动力装置(Haszeldine 2009)。此外,吸附剂的腐蚀性也会对环境造成二次污染(湘et al ., 2012)。因此,有必要开发一种低成本的二氧化碳捕获技术。
新兴的膜分离技术可以有效地降低成本,因为在处理(不需要加热泽和Sx, 2014)。例如,一种中空纤维膜气体捕获技术已广泛应用于工业领域和实验室(泽和Sx, 2014)。同样,例子包括江泽民et al。(2019)他观察到ZIF-8-based陶瓷膜表现出优良的捕获性能有限公司吗2,打开新的篇章(有机-无机杂化气体捕获膜),大大促进了膜分离技术的应用由于出色的无机膜的阻力。然而,由于技术和经济问题,膜气体捕获技术难以实现大规模的工业应用。对于大型应用程序而言,膜气体捕获技术的挑战,主要集中在以下几个方面。
首先,膜结构的设计和材料的选择是关键因素。有必要开发耐高温、耐腐蚀和抗污染气体渗透膜。此外,渗透性和选择性,力学性能,稳定性,和工艺兼容性需要仔细考虑。然而,现有的研究主要集中在膜的气体渗透性,和其他重要因素缺乏考虑。更重要的是,微量气体成分的影响(例如,啊2,所以x,没有x,NH3)膜捕获技术一直在忽略现有的文章和研究专注于N的二元混合物的分离2和有限公司2(Adewole et al ., 2013)。此外,它可能不是可行的使用单级膜气体捕获技术由于烟气二氧化碳含量低,即使膜演示高选择通透性(李、陈,2005年)。因此,多级膜气体捕获技术可能是可行的,同时提高二氧化碳的分离效率和产品纯度,从而导致增加处理成本和加工工艺的改进。结论,在气体吸收膜接触器的应用,成本和性能之间的权衡的局限性最终得到解决。
此外,如何处理净化产品是一个很重要的问题。二氧化碳可用于原油生产和农业、化学和生物精炼的原料。然而,人类排放大量的气体存储在地下水库很长一段时间,导致许多其他问题。
从污水分离染料和盐
近年来,染料被广泛应用于造纸、印刷、制药、纺织等行业(Crini Badot, 2008)。有色污水的排放会破坏环境,危及人类健康(Katheresan et al ., 2018)。此外,为了提高染料的吸附在产品、无机盐(例如,氯化钠和Na2所以4)通常是在制备过程中添加(Vreese Bruggen, 2007;王et al ., 2013;林et al ., 2015;朱et al ., 2016)。因此,这种废水通常包括染料和盐是有价值的资源。然而,在这种废水的进展,传统的分离技术,如吸附(Kandisa et al ., 2016)以及光催化(Rochkind et al ., 2015)非常复杂,由于高度集中的存在染料/盐(表2)。非常迫切需要开发一个简单的技术等新兴的膜技术。然而,一些反渗透和纳滤膜通常单独的染料和盐同时孔径筛查和Donan效果。很难实现染料和盐的分离,分别。宽松的纳滤膜的出现为解决这一问题奠定了基础。
表2。材料从污水分离染料和盐。
目前,两个主要nanoparticle-based松纳滤膜的制备方法原位聚合(程et al ., 2017;黄et al ., 2020)和二维(2 d)纳滤膜材料(杨et al ., 2017;高et al ., 2018)。顺便说下,纳米颗粒的脱落和集聚和2 d材料限制宽松的纳滤膜的广泛应用。此外,一种昂贵的原材料和一个复杂的制备过程的选择性大规模制备层是巨大的障碍。为了提高磁导,通常基于牺牲拒绝由于传统的交换膜的限制。至关重要。因此,开发一个简单和廉价的膜制备方法实现大规模应用。在此基础上,如何打破传统的权衡的局限性也是一个需要进一步解决的问题在宽松的纳滤膜的制备。
新兴污染物的分离和回收
新兴污染物是指所有污染物产生的生产建设或者其他活动,目前确实存在,但没有环境保护法律、法规或规定不完善法规和危及生命和生态环境。重金属是一个类内分泌干扰化学物质(edc),新兴污染物的主要组件。因此,从环境保护的角度来看,是非常重要的分离和回收重金属。一些重金属离子分离的简要总结表3。
表3。新兴污染物的分离和回收的材料。
传统的分离技术主要包括臭氧氧化、活性炭吸附、蒸发复苏,离子交换,所有的组合(Beszedits斯蒂芬,1980;减少et al ., 2020;张s . et al ., 2020)。然而,这些传统分离技术具有许多缺点如能耗高、吸附剂生活和吸附能力,二次污染等。黄et al ., 2020)。在此基础上,这是非常重要的开发一些简单和节能技术。新兴的膜分离技术将候选人治疗重金属离子由于能耗低,占用空间小,自动化程度高,操作简单。最近,在这方面,膜分离技术逐渐感到担忧。例子包括刘et al。(2020)他观察到,聚丙烯腈(PAN)聚乙烯醇(PVA) nanofibrous复合膜展示优秀的去除铬(VI)和Cd (II)。同样的,Moradi et al。(2020)引入了tetrathioterephthalate填充到polyethersulfone (PES)基质准备有效的去除金属离子膜。此外,聚酰胺(PA)纳滤膜合成界面聚合展示性能优良的水浸透(大约10 L / MHB)和重金属离子排斥(大约90%)。然而,这些类型的膜只有在实验室水平。很难实现大规模制备无膜的性能的损失。至于工厂规模膜、商业DuraMem膜、分子量截止(MWCO)约200克/摩尔,适用于重离子的分离和回收。尽管商业膜可以实现大规模的准备和一个有效的污染物被拒绝,透过严重限制了其广泛应用,引起急剧增加的成本。权衡现象(相互浸透的抑制和排斥)被膜的广泛应用的主要障碍。近年来,许多研究已经致力于打破传统的平衡极限和取得优秀的成果,如mixed-matrix膜(增加溶剂渗透通道)和独立的选择性制备层(降低粗糙度和改善溶剂亲和力)。然而,这些膜制备方法很难实现商业大规模的准备工作,参与细胞膜的合成过程和原材料很贵。因此,如何打破传统的交换现象,实现大规模生产(通过简化制备过程和降低制备成本)同时迫切要解决的问题,在这个阶段,这是节能和经济发展具有重要意义。
结论
在这个阶段,传统的分离方法,如蒸馏、吸附、仍然是主要的处理技术。然而,传统的分离技术需要改进或替换因为消费的问题,如高能源和吸附剂的生命。新兴的膜分离技术可以解决这些问题,但是这些技术的广泛应用是有限的,因为膜的因素(耐热、耐腐蚀、污染阻力,长期稳定、等)和环境因素(应用化学混合物的组成和兼容性的膜过程,等等)。虽然有大量的研究致力于解决上述膜本身的因素,很难对这些研究成果从实验室规模扩大到工业规模,这是因为在准备的过程中膜,性能通常是追求和并发症的制备过程和制备成本的增加将被忽略。即使它可以工业化,一旦膜模块应用于实际工程,膜的生活往往是大大减少由于恶劣的环境条件,从而增加了成本,这使得许多公司继续使用传统的分离技术。因此,改变研究思考是强烈推荐。研究人员不仅要专注于膜的性能,但也要设计和开发一种新型的膜性能模块从综合的角度来看,成本,和过程。对于一个简单的以低成本制备过程,即使膜的性能降低,只要有一点改进之前的研究,这是很出色的。许多小进步最终将促进膜分离技术的大规模应用。
作者的贡献
作者证实了这项工作的唯一贡献者和已批准出版。
的利益冲突
作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
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收到:2020年3月24日;接受:2020年4月24日;
发表:2020年5月26日。
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米卡Erik Tapio Sillanpaa美国佛罗里达国际大学审核:
小李马威斯康辛大学密尔沃基分校,美国版权©2020邵。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
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