Τα στραγγίσματα υγειονομικής ταφής, που χαρακτηρίζονται από τη σύνθετη σύστασή τους και τις υψηλές συγκεντρώσεις ρύπων, θεωρούνται ένας από τους πιο απαιτητικούς τύπους λυμάτων για επεξεργασία. Τα τελευταία χρόνια, οι τεχνολογίες διαχωρισμού με μεμβράνες εφαρμόζονται όλο και περισσότερο για την προηγμένη επεξεργασία των στραγγισμάτων. Μεταξύ αυτών, οι μεμβράνες νανοδιήθησης (NF) έχουν επιδείξει αξιοσημείωτη απόδοση λόγω της υψηλής τους απόρριψης οργανικών ενώσεων και δισθενών ή πολυσθενών αλάτων. Ωστόσο, η ρύπανση και η απόφραξη της μεμβράνης παραμένουν κρίσιμες προκλήσεις για μακροπρόθεσμη σταθερή λειτουργία. Η ρύπανση όχι μόνο μειώνει τη ροή της μεμβράνης και αυξάνει τη λειτουργική πίεση, αλλά επίσης αυξάνει το κόστος αντικατάστασης και την κατανάλωση ενέργειας, επηρεάζοντας άμεσα την οικονομική σκοπιμότητα και βιωσιμότητα. Οι παραδοσιακές μελέτες έχουν επικεντρωθεί ως επί το πλείστον σε μακροσκοπικές λειτουργικές παραμέτρους όπως η πίεση, η θερμοκρασία και το pH, ενώ η κατανόηση σε μικρο{6}}επίπεδο της σχέσης μεταξύ οργανικών μοριακών δομών και συμπεριφοράς ρύπανσης παραμένει περιορισμένη. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, οι ερευνητές εισήγαγαν κβαντικές χημικές παραμέτρους και μοντέλα ποσοτικής σχέσης δομής-δραστικότητας (QSAR) για να εξερευνήσουν μηχανισμούς ρύπανσης σε μοριακή κλίμακα, παρέχοντας νέες οδούς για την πρόβλεψη και τον έλεγχο της ρύπανσης της μεμβράνης.
Όσον αφορά τη μεθοδολογία, η μελέτη επικεντρώθηκε σε απορριφθείσες μεμβράνες NF8040 από μονάδα επεξεργασίας στραγγισμάτων στη Σαγκάη. Η ανάλυση ICP επιβεβαίωσε ότι η ρύπανση προκλήθηκε κυρίως από εναπόθεση ιόντων Ca2+ και Fe3+. Πειράματα προσρόφησης και πήξης διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας 15 τυπικές οργανικές βαφές ως μοντέλα ρύπων σε συστήματα CaCl2 και FeCl3 για τον προσδιορισμό της αποτελεσματικότητας απομάκρυνσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σύστημα FeCl3 εμφάνισε σημαντικά υψηλότερη αποτελεσματικότητα οργανικής απομάκρυνσης από το σύστημα CaCl2 (μέση απομάκρυνση: 45,94% έναντι 5,50%), με έντονες διαφορές μεταξύ των επιμέρους μορίων, υποδηλώνοντας ότι η επίδραση της οργανικής δομής στη ρύπανση ποικίλλει ανάλογα με το υπόβαθρο ανόργανων ιόντων. Πραγματοποιήθηκαν κβαντικοί χημικοί υπολογισμοί για 45 μοριακές παραμέτρους, συμπεριλαμβανομένης της μοριακής ενέργειας, των τοπικών φορτίων και των ενεργειών HOMO/LUMO, και τα μοντέλα QSAR καθιερώθηκαν χρησιμοποιώντας σταδιακή παλινδρόμηση για να διευκρινιστεί η επίδραση της μοριακής δομής στην αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης και τη συμβολή ρύπανσης. Τα μοντέλα επικυρώθηκαν μέσω εσωτερικών δοκιμών διασταυρούμενης{10}}επικύρωσης, εξωτερικής επικύρωσης και τυχαιοποίησης Y-, επιδεικνύοντας καλή σταθερότητα και ικανότητα πρόβλεψης. Συγκεκριμένα, στο σύστημα CaCl2, το ELUMO (χαμηλότερη μη κατειλημμένη μοριακή τροχιακή ενέργεια) αναγνωρίστηκε ως ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει την αποτελεσματικότητα της οργανικής απομάκρυνσης, ενώ στο σύστημα FeCl3, το EB3LYP (ολική μοριακή ενέργεια, που αντικατοπτρίζει το μοριακό μέγεθος) ήταν ο κυρίαρχος παράγοντας. Συνολικά ανιχνεύθηκαν 219 οργανικές ενώσεις στα στραγγίσματα, που κυμαίνονται από μικρά μόρια (π.χ. 1,4-Διαιθυλ-2-πιπεραζινόνη) έως μεγάλα οργανικά-ανόργανα σύμπλοκα (π.χ. Τετρακοζαμεθυλ-κυκλοδωδεκασιλοξάνη). Αυτά τα μόρια βρέθηκαν να είναι πιο επιρρεπή σε εναπόθεση και απόφραξη όταν αλληλεπιδρούν με Ca2+, επηρεάζοντας σημαντικά τη ροή της μεμβράνης και τη διάρκεια ζωής.
Με βάση αυτά τα ευρήματα, τα μοντέλα QSAR μπορούν να προβλέψουν τη συμπεριφορά διαφορετικών οργανικών ρύπων υπό συνθήκες ρύπανσης, παρέχοντας ένα εργαλείο για την αξιολόγηση της διάρκειας ζωής της μεμβράνης και μετατοπίζοντας την προσέγγιση από τον αντιδραστικό «καθαρισμό μετά τη ρύπανση» σε προληπτική «προβλεπτική πρόληψη». Με τον εντοπισμό των μοριακών χαρακτηριστικών που είναι επιρρεπείς σε αλληλεπίδραση με Ca2+ και Fe3+, ο μελλοντικός σχεδιασμός της μεμβράνης μπορεί να στοχευτεί μέσω της λειτουργικότητας της επιφάνειας, των υδρόφιλων επικαλύψεων ή των τροποποιήσεων κατά της ρύπανσης. Επιπλέον, η ενσωμάτωση στρατηγικών πήξης ή προσρόφησης πριν από την επεξεργασία-μπορεί να μειώσει την είσοδο-οργανικών ενώσεων υψηλού κινδύνου στο σύστημα μεμβράνης, μετριάζοντας τη ρύπανση στην πηγή. Ο περαιτέρω συνδυασμός κβαντικών χημικών παραμέτρων με δεδομένα ηλεκτρονικών αισθητήρων θα μπορούσε να επιτρέψει την ανάπτυξη δυναμικών συστημάτων πρόβλεψης, διευκολύνοντας την έξυπνη, προσαρμοστική λειτουργία των μεμβρανών NF και προωθώντας την ακριβή-διαχείριση συστημάτων επεξεργασίας στραγγισμάτων με χαμηλές εκπομπές άνθρακα.
Συνοπτικά, η ρύπανση της μεμβράνης νανοδιήθησης δεν επηρεάζεται μόνο από συμβατικές λειτουργικές παραμέτρους, αλλά σχετίζεται επίσης στενά με οργανικές μοριακές δομές και βασικά ιόντα ρύπανσης όπως Ca2+ και Fe3+. Η ενσωμάτωση των κβαντικών χημικών παραμέτρων και η μοντελοποίηση QSAR παρέχει πληροφορίες για τη συμβολή πολύπλοκων οργανικών ρύπων στη ρύπανση και προσφέρει μια επιστημονική βάση για βελτιστοποίηση υλικού μεμβράνης, λειτουργική διαχείριση και έξυπνο έλεγχο. Αυτή η προσέγγιση ανοίγει νέες προοπτικές για τη βιώσιμη και ακριβή επεξεργασία των στραγγισμάτων υγειονομικής ταφής.
