Misel destekli ultrafiltrasyon (Micellar-Enhanced Ultrafiltration, MEUF), çözeltideki küçük iyonların bir yüzey aktif madde tarafından oluşturulan daha büyük misel yapılarıyla ilişkilendirilerek ultrafiltrasyon membranında tutulmasını amaçlayan bir membran ayırma yöntemidir. Bu çalışma, sodyum dodesil sülfat (SDS) ile 30 kDa polietersülfon (PES) membranı birlikte kullanarak laboratuvarda hazırlanmış Cd²⁺ içeren suda kadmiyum giderimini incelemiştir. Saf SDS çözeltisinde kritik misel konsantrasyonu 8.14 mmol L⁻¹ olarak belirlenmiş; 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ ve 1 CMC SDS koşulunda giderim %99.44 ± 0.68 düzeyine ulaşmıştır. Ancak çalışma gerçek endüstriyel atıksuyla gerçekleştirilmediği için sonuçlar doğrudan saha performansı olarak yorumlanmamalıdır.

Deneyler yalnız toplam giderim yüzdesini değil, SDS miktarının membran akısına etkisini, pH değişiminin giderime katkısını, farklı Cd²⁺ konsantrasyonlarını, çözeltideki NaNO₃ elektrolitinin rekabetçi etkisini ve 40 saatlik kesintisiz işletimde membranın davranışını birlikte değerlendirmiştir. pH 3–9 aralığında Cd²⁺ giderimi %98'in üzerinde kalırken, yükselen elektrolit konsantrasyonu giderim performansında belirgin azalmaya neden olmuştur.

Membran yüzeyi FTIR, SEM ve EDS ile de incelenmiştir. Kimyasal fonksiyonel gruplarda büyük bir değişiklik gözlenmemiş; 40 saat sonrasında yüzeyde ince ve süreksiz bir tabaka görülmesine rağmen akı düşüşü saptanmamış ve temizleme sonrasında saf su akısının %95'ten fazlası geri kazanılmıştır. Bu bulgular yoğun ve geri dönüşümsüz kirlenmeden ziyade sınırlı ve büyük ölçüde geri döndürülebilir yüzey birikimine işaret etmektedir.

Çalışmanın problemi

Cd²⁺, suda kalıcılığı ve biyolojik sistemlerde birikme potansiyeli nedeniyle atıksu arıtımında önemli ağır metal kirleticilerinden biridir. Düşük moleküler boyuttaki çözünmüş metal iyonları, klasik ultrafiltrasyon membranlarının gözeneklerinden doğrudan geçebildiği için yalnız membran gözenek boyutuna dayanan bir ayırma çoğu zaman yeterli değildir. MEUF yaklaşımının temel fikri, metal iyonunu fiziksel olarak daha büyük bir surfaktan yapısına bağlayarak membranın tutabileceği bir kompleks oluşturmaktır.

Misel Destekli Ultrafiltrasyon Nasıl Çalışır?

Misel destekli ultrafiltrasyonda iyonik yüzey aktif madde molekülleri yeterli derişime ulaştığında miseller oluşturur; SDS gibi anyonik bir yüzey aktif maddenin negatif yüklü baş grupları Cd²⁺ gibi pozitif metal iyonlarıyla ilişki kurabilir ve böylece metalin serbest iyon halinde membran gözeneklerinden geçmesi yerine daha büyük surfaktan–metal yapısıyla retentat tarafında tutulması sağlanabilir.

SDS molekülü hidrokarbon karakterli bir kuyruk ve negatif yüklü sülfat baş grubuna sahiptir. SDS derişimi kritik misel konsantrasyonuna yaklaştığında veya bu eşiği geçtiğinde surfaktan molekülleri kümelenmeye başlar. Çalışmada iletkenlik–derişim eğrisindeki eğim değişimi kullanılmış ve saf SDS ortamında CMC değeri 8.14 mmol L⁻¹ olarak belirlenmiştir.

Metal iyonları ve çözeltideki diğer elektrolitler elektrostatik etkileşimleri değiştirerek gerçek sistemdeki etkin miselleşme davranışını saf SDS çözeltisinden farklılaştırabilir. Çalışmada 0.5 CMC koşulunda dahi %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ giderimi görülmesi, yazarlar tarafından metal iyonlarının CMC'yi düşürebilmesi, membran yakınındaki konsantrasyon polarizasyonu ve SDS'nin membran yüzeyinde birikmesiyle açıklanmaktadır. Bu mekanizma kaynak çalışmanın yorumudur; doğrudan tek bir moleküler mekanizma deneyiyle ayrıştırılmamıştır.

Deney sistemi

Yeni membran deney öncesinde beş dakika deiyonize suda bekletilmiş, ardından sistemde saf su geçirilerek membran akısı stabilize edilmiştir. Her standart deneyde permeat kütlesi dakika bazında kaydedilmiş ve yaklaşık dört saatlik kararlı veri toplanmıştır. Deneyler sonrasında membran 30 dakika deiyonize su, 30 dakika 0.1 mol L⁻¹ NaOH ve yeniden 30 dakika deiyonize su kullanılarak temizlenmiştir.

Giderim verimi nasıl hesaplandı?

Cd²⁺ giderim yüzdesi kaynak çalışmada aşağıdaki denklemle hesaplanmıştır:

\[ R(\%)=\left[1-\left(\frac{C_p}{C_f}\right)\right]\times100 \]

Burada \(C_p\), permeattaki Cd²⁺ konsantrasyonunu; \(C_f\) ise besleme çözeltisindeki Cd²⁺ konsantrasyonunu ifade eder ve her ikisi de mg L⁻¹ birimindedir. \(C_p/C_f\) oranı küçüldükçe membranın beslemedeki kadmiyumu permeat tarafına geçirmediği anlaşılır; dolayısıyla \(R\) değeri %100'e yaklaşır.

Membran akısı ise:

\[ J=\frac{V}{tA} \]

eşitliğiyle belirlenmiştir. \(J\), L m⁻² h⁻¹ birimindeki permeat akısını; \(V\), permeat hacmini; \(t\), işlem süresini ve \(A\), aktif membran alanını gösterir. Akı, membranın birim alanından birim zamanda ne kadar sıvının geçtiğini ifade eder. Yüksek giderim ile yüksek akı aynı şey değildir; surfaktan miktarının artırılması Cd²⁺ giderimini yükseltirken akıyı azaltabilmektedir.

Neden 1 CMC SDS Optimum Koşul Olarak Seçilmiştir?

Çalışmada 1 CMC SDS, Cd²⁺ gideriminin %99.44 ± 0.68 düzeyine ulaşması ve 1.5 CMC'ye çıkıldığında giderimde yalnız sınırlı ek kazanç elde edilirken permeat akısının daha da azalması nedeniyle pratik optimum koşul olarak seçilmiştir.

Deiyonize su için ortalama akı 234.44 ± 1.43 L m⁻² h⁻¹ iken, yalnız Cd²⁺ içeren ve SDS bulunmayan çözeltide 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹ olarak ölçülmüştür. SDS eklendiğinde ortalama akı 0.5 CMC'de 170.86 ± 3.04, 1 CMC'de 168.29 ± 1.51 ve 1.5 CMC'de 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹ değerlerine düşmüştür.

Buna karşılık Cd²⁺ giderimi SDS bulunmadığında yalnız %30.88 ± 10.8 iken 0.5 CMC'de %96.77 ± 0.03, 1 CMC'de %99.44 ± 0.68 ve kaynak grafiğinde 1.5 CMC için yaklaşık %99.76 değerine yükselmektedir. Bu karşılaştırma, daha fazla surfaktanın her zaman orantılı bir proses kazancı üretmediğini göstermektedir.

pH etkisi

50 mg L⁻¹ Cd²⁺ ve 1 CMC SDS kullanıldığında giderim; pH 3'te %98.78 ± 0.28, pH 5'te %99.23 ± 0.63, pH 7'de %99.28 ± 0.14 ve pH 9'da %99.32 ± 0.09 olarak ölçülmüştür. Dolayısıyla test edilen pH 3–9 aralığında giderim performansı yüksek ve görece kararlı kalmıştır.

Bununla birlikte akı pH yükseldikçe azalmıştır: pH 3, 5, 7 ve 9 için sırasıyla 183.02 ± 1.97, 171.97 ± 1.55, 166.86 ± 1.55 ve 164.56 ± 1.79 L m⁻² h⁻¹ raporlanmıştır. Bu sonuç, giderim yüzdesi yaklaşık sabit kalsa dahi hidrodinamik/membran performansının aynı kalmadığını gösterir.

Cd²⁺ derişiminin etkisi

SDS konsantrasyonu 1 CMC'de sabit tutulduğunda 10–50 mg L⁻¹ aralığındaki farklı Cd²⁺ besleme konsantrasyonlarının tamamında giderim %99'un üzerinde kalmıştır. Buna karşılık metal konsantrasyonu yükseldikçe permeat akısı azalmıştır: 10 mg L⁻¹ için 178.04 ± 1.76, 20 mg L⁻¹ için 174.04 ± 1.97, 30 mg L⁻¹ için 171.36 ± 1.84 ve 50 mg L⁻¹ için 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹ ölçülmüştür.

Elektrolit Konsantrasyonu Cd²⁺ Giderimini Neden Azaltmıştır?

NaNO₃ ilavesi çözeltide Na⁺ konsantrasyonunu artırmış ve Na⁺ iyonlarının SDS üzerindeki negatif bağlanma bölgeleri için Cd²⁺ ile rekabet etmesi sonucunda serbest Cd²⁺ miktarı artmıştır; bu nedenle NaNO₃ konsantrasyonu yükseldikçe Cd²⁺ giderimi belirgin biçimde azalmıştır.

0.01 mol L⁻¹ NaNO₃ koşulunda Cd²⁺ giderimi %98.84 ± 0.12 iken, 0.03 mol L⁻¹'de %90.44 ± 0.23'e ve 0.05 mol L⁻¹'de %78.12 ± 0.01'e düşmüştür. Aynı sırayla membran akısı 164.02 ± 1.67, 155.12 ± 1.65 ve 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹ olarak raporlanmıştır.

Bu sonuç uygulama açısından önemlidir; laboratuvar ortamında deiyonize suyla elde edilen çok yüksek Cd²⁺ giderim yüzdelerinin yüksek iyonik güç içeren gerçek atıksularda aynı düzeyde kalacağı varsayılamaz.

Membran kirlenmesi ve yüzey karakterizasyonu

FTIR analizinde ham membran ile 4 ve 40 saat kullanılmış membranların ana PES bantlarında belirgin değişim görülmemiştir. Yaklaşık 3350 cm⁻¹'de O–H gerilmesi; 620–867 cm⁻¹ aralığında aromatik C–H; 1100–1200 cm⁻¹ aralığında sülfon; 1230–1270 cm⁻¹ aralığında eter bantları gözlenmiştir.

Bu benzerlik membranın ana kimyasal yapısının işlem sırasında önemli ölçüde değişmediğini destekler. Ancak FTIR ince yüzey tabakalarına sınırlı duyarlılığa sahip olduğundan sonuç “membran yüzeyi tamamen temiz kaldı” biçiminde yorumlanmamalıdır.

SEM görüntülerinde 4 saat sonrasında hafif dağınık birikimler, 40 saat sonunda ise ince ve süreksiz yüzey birikimi görülmüştür. EDS ölçümlerinde C, O ve S bileşiminin büyük ölçüde korunduğu ve belirgin Cd birikiminin saptanmadığı bildirilmiştir. Ayrıca standart temizleme sonrasında saf su akısının %95'ten fazlasının geri kazanılması, birikimin ağır ve geri dönüşümsüz membran kirlenmesine dönüşmediğini desteklemektedir.

40 saatlik performans

50 mg L⁻¹ Cd²⁺ ve 1 CMC SDS koşullarında sistem 40 saat sürekli işletilmiştir. Membran akısı çalışma boyunca belirgin düşüş göstermemiş; beş saat aralıklarla alınan permeat örneklerinde Cd²⁺ giderimi sürekli olarak %98.5'in üzerinde kalmıştır. Bu deney, kısa süreli 4 saatlik testlerden daha güçlü bir kararlılık göstergesi sağlasa da endüstriyel ölçekte aylar süren işletim ömrünü temsil etmez.

Çalışmanın desteklediği ve desteklemediği sonuçlar

Çalışmanın desteklediği: SDS destekli MEUF, incelenen laboratuvar koşullarında Cd²⁺ giderimini PES ultrafiltrasyon membranının tek başına sağladığı seviyenin çok üzerine çıkarabilmektedir; 1 CMC SDS altında yaklaşık %99.4 giderim sağlanmıştır. pH 3–9 aralığı giderim yüzdesini ciddi biçimde bozmamış, NaNO₃ ise yükselen konsantrasyonlarda performansı belirgin biçimde azaltmıştır. 40 saatlik laboratuvar işletiminde akı kararlılığı ve yüksek giderim korunmuştur.

Çalışmanın desteklemediği: Sonuçlar gerçek endüstriyel atıksuda aynı performansın kesin olarak elde edileceğini, farklı ağır metallerin ve organik maddelerin sistemi etkilemeyeceğini, membranın uzun dönem ticari işletimde kirlenmeyeceğini veya prosesin ekonomik olarak mevcut endüstriyel arıtma sistemlerinden üstün olduğunu kanıtlamaz.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

CMC'nin deneysel belirlenmesi

CMC, SDS çözeltisinin elektriksel iletkenliği ile molaritesi arasındaki ilişkinin iki yaklaşık doğrusal rejime ayrılmasıyla belirlenmiştir. Monomerik SDS iyonları CMC öncesinde iletkenliğe güçlü katkı verirken, miselleşme başladıktan sonra serbest taşıyıcıların davranışı değişir ve iletkenlik–konsantrasyon doğrusunun eğimi farklılaşır. İki doğrusal bölgenin kesişimi 8.14 mmol L⁻¹ olarak ölçülmüştür.

Karakterizasyonun bilimsel anlamı

FTIR, membranın esas kimyasal fonksiyonel gruplarının korunduğunu göstermektedir. SEM/EDS incelemeleri yüzeyde tamamen sıfır birikim olduğunu kanıtlamaz; 40 saat sonunda ince bir tabaka görsel olarak görülmüştür. Bu nedenle en güvenli yorum, çalışma koşullarında şiddetli ve kalıcı fouling gözlenmediği yönündedir.

Bu Sonuçlar Gerçek Endüstriyel Atıksuda Aynı Performansı Kanıtlar mı?

Hayır. Deneyler deiyonize suyla hazırlanan kontrollü Cd²⁺ çözeltilerinde yürütülmüştür; gerçek atıksuda bulunabilecek çoklu metal iyonları, çözünmüş organik maddeler, yüksek tuzluluk, askıda katılar ve değişken kimyasal bileşim SDS–Cd²⁺ bağlanmasını, miselleşmeyi, membran akısını ve fouling davranışını değiştirebilir.

NaNO₃ deneyindeki performans kaybı bu sınırlılığı özellikle görünür hale getirir: yalnız tek bir elektrolitin 0.05 mol L⁻¹ düzeyine çıkarılması dahi Cd²⁺ giderimini yaklaşık %78'e kadar düşürmüştür. Bu nedenle gerçek atıksu doğrulaması çalışmanın doğal sonraki aşamasıdır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: Advanced Micellar-Enhanced Ultrafiltration for the Removal of Cadmium (Cd2+) from Wastewater.

Yazarlar: Prakriti Sapkota, Sunith B. Madduri, Raghava R. Kommalapati.

Kurumlar: Center for Energy and Environmental Sustainability, Prairie View A&M University; Department of Civil and Environmental Engineering, Prairie View A&M University, Prairie View, Texas, ABD.

Dergi: Water.

Yayın bilgisi: 2026, Cilt 18, Makale 191.

DOI: 10.3390/w18020191.

Yayın tarihi: 12 Ocak 2026.

Kaynak türü: Hakemli araştırma makalesi.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY). Telif © 2026 yazarlara aittir; yayıncı MDPI, Basel, Switzerland'dır.

Finansman: National Science Foundation, CREST Center for Energy and Environmental Sustainability-Phase II, Award #1914692.

Veri erişilebilirliği: Yazarlar verilerin makale içinde bulunduğunu bildirmektedir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan etmektedir.

Temel yöntemsel sınırlılık: Çalışma laboratuvarda hazırlanmış Cd²⁺ çözeltisine dayanmaktadır. Gerçek endüstriyel atıksu kullanılmamış; çok bileşenli matriks, uzun dönem membran ömrü, surfaktan geri kazanımı ve tam ölçekli proses ekonomisi değerlendirilmemiştir.

Kaynak içi tutarsızlık notu: Ayrıntılı deney sonuçlarında 0.5 CMC koşulu %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ giderimi vermektedir; buna karşın sonuç bölümünde “0.05 CMC” ifadesi geçmektedir. Bu iki değer birbiriyle uyumlu değildir. Verianla anlatımı deney bölümündeki doğrulanabilir 0.5 CMC verisini esas almış, sonuç bölümündeki çelişkili ifadeyi bağımsız bir bulgu gibi kullanmamıştır.