Misel dəstəkli ultrafiltrasiya (Micellar-Enhanced Ultrafiltration, MEUF), məhluldakı kiçik ionların səthi aktiv maddənin yaratdığı daha böyük misel strukturları ilə əlaqələndirilərək ultrafiltrasiya membranında saxlanmasını hədəfləyən membran ayırma üsuludur. Bu tədqiqat natrium dodesil sulfat (SDS) ilə 30 kDa polietersülfon (PES) membranını birlikdə istifadə edərək laboratoriyada hazırlanmış Cd²⁺ tərkibli suda kadmiumun kənarlaşdırılmasını araşdırmışdır. Saf SDS məhlulunda kritik misel konsentrasiyası 8.14 mmol L⁻¹ olaraq müəyyən edilmiş; 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ və 1 CMC SDS şəraitində kənarlaşdırma %99.44 ± 0.68 səviyyəsinə çatmışdır. Lakin tədqiqat real sənaye çirkab suyu ilə aparılmadığı üçün nəticələr birbaşa sahə performansı kimi şərh edilməməlidir.
Təcrübələr yalnız ümumi kənarlaşdırma faizini deyil, SDS miqdarının membran axınına təsirini, pH dəyişməsinin kənarlaşdırmaya töhfəsini, müxtəlif Cd²⁺ konsentrasiyalarını, məhluldakı NaNO₃ elektrolitinin rəqabətli təsirini və 40 saatlıq fasiləsiz işləmədə membranın davranışını birlikdə qiymətləndirmişdir. pH 3–9 aralığında Cd²⁺ kənarlaşdırılması %98-dən yuxarı qaldığı halda, elektrolit konsentrasiyasının artması kənarlaşdırma performansında nəzərəçarpacaq azalmaya səbəb olmuşdur.
Membran səthi FTIR, SEM və EDS ilə də araşdırılmışdır. Kimyəvi funksional qruplarda böyük dəyişiklik müşahidə edilməmiş; 40 saatdan sonra səthdə nazik və fasiləli təbəqə görülsə də axında azalma müəyyən edilməmiş və təmizləmədən sonra saf su axınının %95-dən çoxu bərpa olunmuşdur. Bu nəticələr intensiv və geri dönməz çirklənmədən çox məhdud və əsasən geri dönən səth yığılmasına işarə edir.
Tədqiqatın problemi
Cd²⁺ suda davamlılığı və bioloji sistemlərdə toplanma potensialına görə çirkab su təmizlənməsində mühüm ağır metal çirkləndiricilərindən biridir. Aşağı molekulyar ölçülü həll olmuş metal ionları klassik ultrafiltrasiya membranlarının məsamələrindən birbaşa keçə bildiyi üçün yalnız membran məsamə ölçüsünə əsaslanan ayırma çox vaxt kifayət etmir. MEUF yanaşmasının əsas ideyası metal ionunu fiziki olaraq daha böyük səthi aktiv maddə strukturuna bağlayaraq membranın saxlaya biləcəyi kompleks yaratmaqdır.
Misel Dəstəkli Ultrafiltrasiya Necə İşləyir?
Misel dəstəkli ultrafiltrasiyada ionik səthi aktiv maddə molekulları kifayət qədər konsentrasiyaya çatdıqda misellər əmələ gətirir; SDS kimi anion səthi aktiv maddənin mənfi yüklü baş qrupları Cd²⁺ kimi müsbət metal ionları ilə əlaqə qura bilər və beləliklə metalın sərbəst ion halında membran məsamələrindən keçməsi əvəzinə daha böyük səthi aktiv maddə–metal strukturu şəklində retentat tərəfində saxlanması təmin edilə bilər.
SDS molekulu karbohidrogen xarakterli quyruğa və mənfi yüklü sulfat baş qrupuna malikdir. SDS konsentrasiyası kritik misel konsentrasiyasına yaxınlaşdıqda və ya bu həddi keçdikdə səthi aktiv maddə molekulları toplanmağa başlayır. Tədqiqatda keçiricilik–konsentrasiya əyrisindəki meyl dəyişikliyindən istifadə edilmiş və saf SDS mühitində CMC dəyəri 8.14 mmol L⁻¹ olaraq müəyyən edilmişdir.
Metal ionları və məhluldakı digər elektrolitlər elektrostatik qarşılıqlı təsirləri dəyişərək real sistemdə effektiv miselləşmə davranışını saf SDS məhlulundan fərqləndirə bilər. Tədqiqatda hətta 0.5 CMC şəraitində %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ kənarlaşdırılması müşahidə olunmasını müəlliflər metal ionlarının CMC-ni azalda bilməsi, membrana yaxın konsentrasiya qütbləşməsi və SDS-nin membran səthində toplanması ilə izah edirlər. Bu mexanizm mənbə tədqiqatın şərhidir; birbaşa tək molekulyar mexanizm təcrübəsi ilə ayrılmamışdır.
Təcrübə sistemi
| Parametr | Dəyər / xüsusiyyət |
|---|---|
| Membran | Yastı lövhə polietersülfon (PES) |
| MWCO | 30 kDa |
| Aktiv membran sahəsi | 0.004209 m² |
| Transmembran təzyiqi | Təxminən 413.68 kPa (60 psi) |
| Qidalanma axını | 1.6 GPM |
| İşləmə temperaturu | Təxminən 25 °C |
| Səthi aktiv maddə | Natrium dodesil sulfat (SDS), %99 saflıq |
| Kadmium mənbəyi | Cd(NO₃)₂·4H₂O, %99 saflıq |
| Cd²⁺ analizi | Agilent 3510 Atomic Absorption Spectrometry |
| Təkrar sayı | Təcrübələr iki təkrarla aparıldı |
Yeni membran təcrübədən əvvəl beş dəqiqə deionlaşdırılmış suda saxlanmış, sonra sistemdən saf su keçirilərək membran axını sabitləşdirilmişdir. Hər standart təcrübədə permeat kütləsi dəqiqəlik qeydə alınmış və təxminən dörd saatlıq sabit məlumat toplanmışdır. Təcrübələrdən sonra membran 30 dəqiqə deionlaşdırılmış su, 30 dəqiqə 0.1 mol L⁻¹ NaOH və yenidən 30 dəqiqə deionlaşdırılmış su ilə təmizlənmişdir.
Kənarlaşdırma səmərəliliyi necə hesablandı?
Cd²⁺ kənarlaşdırma faizi mənbə tədqiqatda aşağıdakı tənliklə hesablanmışdır:
\[ R(\%)=\left[1-\left(\frac{C_p}{C_f}\right)\right]\times100 \]
Burada \(C_p\) permeatdakı Cd²⁺ konsentrasiyasını, \(C_f\) isə qidalanma məhlulundakı Cd²⁺ konsentrasiyasını ifadə edir və hər ikisi mg L⁻¹ vahidindədir. \(C_p/C_f\) nisbəti azaldıqca membranın qidalanmadakı kadmiumu permeat tərəfinə keçirmədiyi anlaşılır; buna görə \(R\) dəyəri %100-ə yaxınlaşır.
Membran axını isə:
\[ J=\frac{V}{tA} \]
tənliyi ilə müəyyən edilmişdir. \(J\), L m⁻² h⁻¹ vahidində permeat axınını; \(V\), permeat həcmini; \(t\), proses müddətini və \(A\), aktiv membran sahəsini göstərir. Axın membranın vahid sahəsindən vahid zamanda nə qədər maye keçdiyini ifadə edir. Yüksək kənarlaşdırma ilə yüksək axın eyni şey deyil; səthi aktiv maddə miqdarının artırılması Cd²⁺ kənarlaşdırılmasını yüksəldərkən axını azalda bilər.
Niyə 1 CMC SDS Optimal Şərait Kimi Seçilmişdir?
Tədqiqatda 1 CMC SDS, Cd²⁺ kənarlaşdırılmasının %99.44 ± 0.68 səviyyəsinə çatması və 1.5 CMC-yə yüksəldildikdə kənarlaşdırmada yalnız məhdud əlavə qazanc əldə olunarkən permeat axınının daha da azalması səbəbindən praktik optimal şərait kimi seçilmişdir.
Deionlaşdırılmış su üçün orta axın 234.44 ± 1.43 L m⁻² h⁻¹ olduğu halda, yalnız Cd²⁺ olan və SDS olmayan məhlulda 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹ ölçülmüşdür. SDS əlavə edildikdə orta axın 0.5 CMC-də 170.86 ± 3.04, 1 CMC-də 168.29 ± 1.51 və 1.5 CMC-də 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹ dəyərlərinə enmişdir.
Bunun əvəzində Cd²⁺ kənarlaşdırılması SDS olmadıqda yalnız %30.88 ± 10.8 ikən 0.5 CMC-də %96.77 ± 0.03, 1 CMC-də %99.44 ± 0.68 və mənbə qrafikində 1.5 CMC üçün təxminən %99.76 dəyərinə yüksəlir. Bu müqayisə daha çox səthi aktiv maddənin hər zaman mütənasib proses qazancı yaratmadığını göstərir.
pH təsiri
50 mg L⁻¹ Cd²⁺ və 1 CMC SDS istifadə edildikdə kənarlaşdırma; pH 3-də %98.78 ± 0.28, pH 5-də %99.23 ± 0.63, pH 7-də %99.28 ± 0.14 və pH 9-da %99.32 ± 0.09 olaraq ölçülmüşdür. Beləliklə, sınaqdan keçirilən pH 3–9 aralığında kənarlaşdırma performansı yüksək və nisbətən sabit qalmışdır.
Bununla belə, pH artdıqca axın azalmışdır: pH 3, 5, 7 və 9 üçün müvafiq olaraq 183.02 ± 1.97, 171.97 ± 1.55, 166.86 ± 1.55 və 164.56 ± 1.79 L m⁻² h⁻¹ bildirilmişdir. Bu nəticə kənarlaşdırma faizi təxminən sabit qalsa belə hidrodinamik/membran performansının eyni qalmadığını göstərir.
Cd²⁺ konsentrasiyasının təsiri
SDS konsentrasiyası 1 CMC-də sabit saxlandıqda 10–50 mg L⁻¹ aralığındakı müxtəlif Cd²⁺ qidalanma konsentrasiyalarının hamısında kənarlaşdırma %99-dan yuxarı qalmışdır. Bununla yanaşı, metal konsentrasiyası artdıqca permeat axını azalmışdır: 10 mg L⁻¹ üçün 178.04 ± 1.76, 20 mg L⁻¹ üçün 174.04 ± 1.97, 30 mg L⁻¹ üçün 171.36 ± 1.84 və 50 mg L⁻¹ üçün 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹ ölçülmüşdür.
Elektrolit Konsentrasiyası Cd²⁺ Kənarlaşdırılmasını Niyə Azaltmışdır?
NaNO₃ əlavə edilməsi məhlulda Na⁺ konsentrasiyasını artırmış və Na⁺ ionlarının SDS üzərindəki mənfi bağlanma sahələri üçün Cd²⁺ ilə rəqabət aparması nəticəsində sərbəst Cd²⁺ miqdarı artmışdır; buna görə NaNO₃ konsentrasiyası yüksəldikcə Cd²⁺ kənarlaşdırılması nəzərəçarpacaq dərəcədə azalmışdır.
0.01 mol L⁻¹ NaNO₃ şəraitində Cd²⁺ kənarlaşdırılması %98.84 ± 0.12 ikən, 0.03 mol L⁻¹-də %90.44 ± 0.23-ə və 0.05 mol L⁻¹-də %78.12 ± 0.01-ə enmişdir. Eyni ardıcıllıqla membran axını 164.02 ± 1.67, 155.12 ± 1.65 və 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹ olaraq bildirilmişdir.
Bu nəticə tətbiq baxımından vacibdir; laboratoriya şəraitində deionlaşdırılmış su ilə əldə olunan çox yüksək Cd²⁺ kənarlaşdırma faizlərinin yüksək ion gücünə malik real çirkab sularda eyni səviyyədə qalacağı fərz edilə bilməz.
Membran çirklənməsi və səth xarakterizasiyası
FTIR analizində xam membran ilə 4 və 40 saat istifadə olunmuş membranların əsas PES zolaqlarında nəzərəçarpacaq dəyişiklik görülməmişdir. Təxminən 3350 cm⁻¹-də O–H dartılması; 620–867 cm⁻¹ aralığında aromatik C–H; 1100–1200 cm⁻¹ aralığında sulfon; 1230–1270 cm⁻¹ aralığında efir zolaqları müşahidə edilmişdir.
Bu oxşarlıq membranın əsas kimyəvi quruluşunun proses zamanı əhəmiyyətli dərəcədə dəyişmədiyini dəstəkləyir. Lakin FTIR nazik səth təbəqələrinə məhdud həssaslığa malik olduğundan nəticə “membran səthi tamamilə təmiz qaldı” kimi şərh edilməməlidir.
SEM görüntülərində 4 saatdan sonra yüngül dağınıq yığıntılar, 40 saatın sonunda isə nazik və fasiləli səth yığılması görülmüşdür. EDS ölçmələrində C, O və S tərkibinin böyük ölçüdə qorunduğu və nəzərəçarpacaq Cd yığılmasının müəyyən edilmədiyi bildirilmişdir. Bundan əlavə, standart təmizləmədən sonra saf su axınının %95-dən çoxunun bərpa olunması yığılmanın ağır və geri dönməz membran çirklənməsinə çevrilmədiyini dəstəkləyir.
40 saatlıq performans
50 mg L⁻¹ Cd²⁺ və 1 CMC SDS şəraitində sistem 40 saat fasiləsiz işlədilmişdir. Membran axını iş boyunca nəzərəçarpacaq azalma göstərməmiş; beş saatlıq intervallarla götürülən permeat nümunələrində Cd²⁺ kənarlaşdırılması davamlı olaraq %98.5-dən yuxarı qalmışdır. Bu təcrübə qısamüddətli 4 saatlıq sınaqlardan daha güclü sabitlik göstəricisi versə də, sənaye miqyasında aylarla davam edən istismar ömrünü təmsil etmir.
Tədqiqatın dəstəklədiyi və dəstəkləmədiyi nəticələr
Tədqiqatın dəstəklədiyi: SDS dəstəkli MEUF, araşdırılan laboratoriya şəraitində Cd²⁺ kənarlaşdırılmasını PES ultrafiltrasiya membranının təkbaşına təmin etdiyi səviyyədən xeyli yuxarı qaldıra bilir; 1 CMC SDS altında təxminən %99.4 kənarlaşdırma əldə edilmişdir. pH 3–9 aralığı kənarlaşdırma faizini ciddi şəkildə pisləşdirməmiş, NaNO₃ isə artan konsentrasiyalarda performansı nəzərəçarpacaq dərəcədə azaltmışdır. 40 saatlıq laboratoriya işləməsində axın sabitliyi və yüksək kənarlaşdırma qorunmuşdur.
Tədqiqatın dəstəkləmədiyi: Nəticələr real sənaye çirkab suyunda eyni performansın mütləq əldə ediləcəyini, müxtəlif ağır metalların və üzvi maddələrin sistemə təsir etməyəcəyini, membranın uzunmüddətli kommersiya istismarında çirklənməyəcəyini və ya prosesin iqtisadi baxımdan mövcud sənaye təmizləmə sistemlərindən üstün olduğunu sübut etmir.
Tədqiqatın Metodu və Nəticələri
| Təcrübə dəyişəni | Şərait | Cd²⁺ kənarlaşdırılması | Orta axın | Əsas şərh |
|---|---|---|---|---|
| SDS yoxdur | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %30.88 ± 10.8 | 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹ | PES membranı təkbaşına məhdud kənarlaşdırma təmin etdi. |
| 0.5 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %96.77 ± 0.03 | 170.86 ± 3.04 L m⁻² h⁻¹ | CMC-dən aşağı yüksək kənarlaşdırma sistem daxilində effektiv CMC dəyişməsi və səth yığılması ilə əlaqələndirildi. |
| 1 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %99.44 ± 0.68 | 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹ | Tədqiqatın seçdiyi optimal SDS şəraiti. |
| 1.5 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | Təxminən %99.76 | 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹ | Kənarlaşdırmada məhdud əlavə artıma qarşılıq axın daha çox azaldı. |
| pH | pH 3–9, 1 CMC | %98.78–99.32 | 183.02-dən 164.56 L m⁻² h⁻¹-ə azaldı | Kənarlaşdırma nisbətən sabit, axın pH ilə dəyişdi. |
| Cd²⁺ qidalanma konsentrasiyası | 10–50 mg L⁻¹ | Bütün şəraitlərdə %99-dan yuxarı | 178.04-dən 168.29 L m⁻² h⁻¹-ə azaldı | Metal konsentrasiyası artdıqca axın azaldı. |
| NaNO₃ | 0.01 mol L⁻¹ | %98.84 ± 0.12 | 164.02 ± 1.67 L m⁻² h⁻¹ | Aşağı ion gücündə kənarlaşdırma əsasən qorundu. |
| NaNO₃ | 0.03 mol L⁻¹ | %90.44 ± 0.23 | 155.12 ± 1.65 L m⁻² h⁻¹ | Rəqabətli ion təsiri nəzərəçarpacaq oldu. |
| NaNO₃ | 0.05 mol L⁻¹ | %78.12 ± 0.01 | 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹ | Yüksək elektrolit konsentrasiyası MEUF performansını ciddi şəkildə azaltdı. |
| Uzunmüddətli iş | 40 h, 50 mg L⁻¹ Cd²⁺, 1 CMC | Hər ölçmədə %98.5-dən yuxarı | Nəzərəçarpacaq davamlı azalma yoxdur | Laboratoriya miqyasında qısa/orta müddətli işləmə sabitliyi göstərildi. |
CMC-nin eksperimental müəyyənləşdirilməsi
CMC, SDS məhlulunun elektrik keçiriciliyi ilə molyarlığı arasındakı əlaqənin təxminən iki xətti rejimə ayrılması ilə müəyyən edilmişdir. Monomer SDS ionları CMC-dən əvvəl keçiriciliyə güclü töhfə verdiyi halda, miselləşmə başladıqdan sonra sərbəst daşıyıcıların davranışı dəyişir və keçiricilik–konsentrasiya xəttinin meyli fərqlənir. İki xətti sahənin kəsişməsi 8.14 mmol L⁻¹ olaraq ölçülmüşdür.
Xarakterizasiyanın elmi mənası
FTIR membranın əsas kimyəvi funksional qruplarının qorunduğunu göstərir. SEM/EDS araşdırmaları səthdə tam sıfır yığılma olduğunu sübut etmir; 40 saatın sonunda nazik təbəqə vizual olaraq görülmüşdür. Buna görə ən təhlükəsiz şərh, tədqiqat şəraitində şiddətli və qalıcı fouling müşahidə edilmədiyi istiqamətindədir.
Bu Nəticələr Real Sənaye Çirkab Suyunda Eyni Performansı Sübut Edirmi?
Xeyr. Təcrübələr deionlaşdırılmış su ilə hazırlanmış nəzarətli Cd²⁺ məhlullarında aparılmışdır; real çirkab suda ola biləcək çoxsaylı metal ionları, həll olmuş üzvi maddələr, yüksək duzluluq, asılı bərk maddələr və dəyişkən kimyəvi tərkib SDS–Cd²⁺ bağlanmasını, miselləşməni, membran axınını və fouling davranışını dəyişə bilər.
NaNO₃ təcrübəsindəki performans itkisi bu məhdudiyyəti xüsusilə aydın göstərir: yalnız bir elektrolitin 0.05 mol L⁻¹ səviyyəsinə qaldırılması belə Cd²⁺ kənarlaşdırılmasını təxminən %78-ə qədər azaltmışdır. Buna görə real çirkab su ilə təsdiqləmə tədqiqatın təbii növbəti mərhələsidir.
Mənbə və Metod Qeydi
Orijinal tədqiqat: Advanced Micellar-Enhanced Ultrafiltration for the Removal of Cadmium (Cd2+) from Wastewater.
Müəlliflər: Prakriti Sapkota, Sunith B. Madduri, Raghava R. Kommalapati.
Qurumlar: 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, ABŞ.
Jurnal: Water.
Nəşr məlumatı: 2026, Cild 18, Məqalə 191.
DOI: 10.3390/w18020191.
Nəşr tarixi: 12 yanvar 2026.
Mənbə növü: Resenziyalı tədqiqat məqaləsi.
Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY). Müəllif hüquqları © 2026 müəlliflərə məxsusdur; nəşriyyatçı MDPI, Basel, Switzerland-dır.
Maliyyələşdirmə: National Science Foundation, CREST Center for Energy and Environmental Sustainability-Phase II, Award #1914692.
Məlumatların əlçatanlığı: Müəlliflər məlumatların məqalə daxilində olduğunu bildirirlər.
Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maraqlar toqquşmasının olmadığını bəyan edirlər.
Əsas metodoloji məhdudiyyət: Tədqiqat laboratoriyada hazırlanmış Cd²⁺ məhluluna əsaslanır. Real sənaye çirkab suyu istifadə edilməmiş; çoxkomponentli matris, uzunmüddətli membran ömrü, səthi aktiv maddənin bərpası və tammiqyaslı proses iqtisadiyyatı qiymətləndirilməmişdir.
Mənbədaxili uyğunsuzluq qeydi: Ətraflı təcrübə nəticələrində 0.5 CMC şəraiti %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ kənarlaşdırılması verir; buna baxmayaraq nəticə bölməsində “0.05 CMC” ifadəsi keçir. Bu iki dəyər bir-biri ilə uyğun deyil. Verianla izahı təcrübə bölməsindəki təsdiqlənə bilən 0.5 CMC məlumatını əsas götürmüş, nəticə bölməsindəki ziddiyyətli ifadəni müstəqil nəticə kimi istifadə etməmişdir.
Şərh yazın
E-poçt ünvanınız yayımlanmayacaq. Məcburi sahələr * ilə işarələnib