Мицелла колдоочу ультрафильтрация (Micellar-Enhanced Ultrafiltration, MEUF) — эритмедеги майда иондорду беттик-активдүү зат түзгөн чоңураак мицеллалык түзүлүштөр менен байланыштырып, ультрафильтрация мембранасында кармоого багытталган мембраналык бөлүү ыкмасы. Бул изилдөө натрий додецилсульфатын (SDS) 30 kDa полиэтерсульфон (PES) мембранасы менен бирге колдонуп, лабораторияда даярдалган Cd²⁺ камтыган сууда кадмийди кетирүүнү изилдеген. Таза SDS эритмесинде критикалык мицелла концентрациясы 8.14 mmol L⁻¹ деп аныкталган; 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ жана 1 CMC SDS шартында кетирүү %99.44 ± 0.68 деңгээлине жеткен. Бирок изилдөө чыныгы өнөр жай агынды суусунда жүргүзүлгөн эмес, ошондуктан жыйынтыктарды түздөн-түз талаа көрсөткүчү катары чечмелөөгө болбойт.
Эксперименттер жалпы кетирүү пайызын гана эмес, SDS көлөмүнүн мембрана агымына тийгизген таасирин, pH өзгөрүшүнүн кетирүүгө кошкон салымын, ар кандай Cd²⁺ концентрацияларын, эритмедеги NaNO₃ электролитинин атаандаштык таасирин жана 40 сааттык үзгүлтүксүз иштөөдө мембрананын жүрүмүн бирге баалаган. pH 3–9 диапазонунда Cd²⁺ кетирүү %98ден жогору бойдон калса, электролит концентрациясынын жогорулашы кетирүү көрсөткүчүнүн байкаларлык төмөндөшүнө алып келген.
Мембрана бети FTIR, SEM жана EDS менен да изилденген. Химиялык функционалдык топтордо чоң өзгөрүү байкалган эмес; 40 сааттан кийин бетинде жука жана үзүл-кесил катмар көрүнгөнүнө карабастан агымдын төмөндөшү аныкталган эмес жана тазалоодон кийин таза суу агымынын %95тен көбү калыбына келген. Бул табылгалар күчтүү жана кайтарылгыс булгануудан көрө чектелген жана негизинен кайтарылуучу беттик топтолууну көрсөтөт.
Изилдөөнүн көйгөйү
Cd²⁺ сууда туруктуулугу жана биологиялык системаларда топтолуу мүмкүнчүлүгүнө байланыштуу агынды сууларды тазалоодогу маанилүү оор металл булгоочуларынын бири. Молекулалык өлчөмү кичине болгон эриген металл иондору классикалык ультрафильтрация мембраналарынын тешикчелеринен түз өтүп кете алгандыктан, мембрананын тешикче өлчөмүнө гана негизделген бөлүү көп учурда жетишсиз. MEUF ыкмасынын негизги идеясы — металл ионун физикалык жактан чоңураак беттик-активдүү зат түзүлүшүнө байлап, мембрана кармай ала турган комплекс түзүү.
Мицелла Колдоочу Ультрафильтрация Кантип Иштейт?
Мицелла колдоочу ультрафильтрацияда иондук беттик-активдүү зат молекулалары жетиштүү концентрацияга жеткенде мицеллаларды түзөт; SDS сыяктуу аниондук беттик-активдүү заттын терс заряддуу баш топтору Cd²⁺ сыяктуу оң заряддуу металл иондору менен байланышып, металлдын эркин ион түрүндө мембрана тешикчелеринен өтүшүнүн ордуна чоңураак беттик-активдүү зат–металл түзүлүшү катары ретентат тарапта кармалышын камсыздай алат.
SDS молекуласынын көмүрсуутек мүнөзүндөгү куйругу жана терс заряддуу сульфат баш тобу бар. SDS концентрациясы критикалык мицелла концентрациясына жакындаганда же бул босогодон өткөндө беттик-активдүү зат молекулалары топтоло баштайт. Изилдөөдө өткөрүмдүүлүк–концентрация ийри сызыгындагы ылдыйыштын өзгөрүшү колдонулуп, таза SDS чөйрөсүндө CMC мааниси 8.14 mmol L⁻¹ деп аныкталган.
Металл иондору жана эритмедеги башка электролиттер электростатикалык өз ара аракеттенүүлөрдү өзгөртүп, реалдуу системадагы эффективдүү мицеллалануу жүрүмүн таза SDS эритмесинен айырмалай алат. Изилдөөдө 0.5 CMC шартында да %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ кетирүүнүн байкалышын авторлор металл иондорунун CMCни төмөндөтүшү, мембранага жакын концентрациялык поляризация жана SDSнин мембрана бетинде топтолушу менен түшүндүрүшөт. Бул механизм булак изилдөөнүн чечмелөөсү; ал түздөн-түз бир молекулалык механизм эксперименти менен ажыратылган эмес.
Эксперименттик система
| Параметр | Маани / өзгөчөлүк |
|---|---|
| Мембрана | Жалпак пластина полиэтерсульфон (PES) |
| MWCO | 30 kDa |
| Активдүү мембрана аянты | 0.004209 m² |
| Трансмембраналык басым | Болжол менен 413.68 kPa (60 psi) |
| Берүү агымы | 1.6 GPM |
| Иштөө температурасы | Болжол менен 25 °C |
| Беттик-активдүү зат | Натрий додецилсульфаты (SDS), %99 тазалык |
| Кадмий булагы | Cd(NO₃)₂·4H₂O, %99 тазалык |
| Cd²⁺ анализи | Agilent 3510 Atomic Absorption Spectrometry |
| Кайталоо саны | Эксперименттер эки кайталоо менен жүргүзүлгөн |
Жаңы мембрана экспериментке чейин беш мүнөт деиондоштурулган сууда кармалып, андан кийин системадан таза суу өткөрүлүп мембрана агымы турукташтырылган. Ар бир стандарттык экспериментте пермеат массасы мүнөт сайын катталып, болжол менен төрт сааттык туруктуу маалымат чогултулган. Эксперименттерден кийин мембрана 30 мүнөт деиондоштурулган суу, 30 мүнөт 0.1 mol L⁻¹ NaOH жана кайра 30 мүнөт деиондоштурулган суу менен тазаланган.
Кетирүү натыйжалуулугу кантип эсептелген?
Cd²⁺ кетирүү пайызы булак изилдөөдө төмөнкү теңдеме менен эсептелген:
\[ R(\%)=\left[1-\left(\frac{C_p}{C_f}\right)\right]\times100 \]
Бул жерде \(C_p\) — пермеаттагы Cd²⁺ концентрациясы; \(C_f\) — берүү эритмесиндеги Cd²⁺ концентрациясы, экөө тең mg L⁻¹ бирдигинде. \(C_p/C_f\) катышы азайган сайын мембрана берүүдөгү кадмийди пермеат тарапка өткөрбөгөнү түшүнүлөт; демек, \(R\) мааниси %100гө жакындайт.
Мембрана агымы болсо:
\[ J=\frac{V}{tA} \]
теңдемеси менен аныкталган. \(J\) — L m⁻² h⁻¹ бирдигиндеги пермеат агымы; \(V\) — пермеат көлөмү; \(t\) — процесс убактысы жана \(A\) — активдүү мембрана аянты. Агым мембрананын бирдик аянтынан бирдик убакытта канча суюктук өтөрүн билдирет. Жогорку кетирүү менен жогорку агым бир эле нерсе эмес; беттик-активдүү заттын көлөмүн көбөйтүү Cd²⁺ кетирүүнү жогорулатуу менен бирге агымды азайтышы мүмкүн.
Эмне үчүн 1 CMC SDS Оптималдуу Шарт катары Тандалган?
Изилдөөдө 1 CMC SDS Cd²⁺ кетирүү %99.44 ± 0.68 деңгээлине жеткени жана 1.5 CMCге көтөрүлгөндө кетирүүдө аз гана кошумча пайда болуп, пермеат агымы дагы төмөндөгөнү үчүн практикалык оптималдуу шарт катары тандалган.
Деиондоштурулган суу үчүн орточо агым 234.44 ± 1.43 L m⁻² h⁻¹ болсо, Cd²⁺ гана камтыган жана SDS жок эритмеде 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹ болгон. SDS кошулганда орточо агым 0.5 CMCде 170.86 ± 3.04, 1 CMCде 168.29 ± 1.51 жана 1.5 CMCде 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹ чейин төмөндөгөн.
Ал эми Cd²⁺ кетирүү SDS жок кезде болгону %30.88 ± 10.8 болсо, 0.5 CMCде %96.77 ± 0.03, 1 CMCде %99.44 ± 0.68 жана булак графигинде 1.5 CMC үчүн болжол менен %99.76га жеткен. Бул салыштыруу беттик-активдүү затты көбөйтүү дайыма процессте пропорционалдуу пайда бербей турганын көрсөтөт.
pH таасири
50 mg L⁻¹ Cd²⁺ жана 1 CMC SDS колдонулганда кетирүү pH 3тө %98.78 ± 0.28, pH 5те %99.23 ± 0.63, pH 7де %99.28 ± 0.14 жана pH 9да %99.32 ± 0.09 болгон. Демек, текшерилген pH 3–9 диапазонунда кетирүү көрсөткүчү жогору жана салыштырмалуу туруктуу калган.
Ошол эле учурда pH жогорулаган сайын агым азайган: pH 3, 5, 7 жана 9 үчүн тиешелүүлүгүнө жараша 183.02 ± 1.97, 171.97 ± 1.55, 166.86 ± 1.55 жана 164.56 ± 1.79 L m⁻² h⁻¹ деп билдирилген. Бул жыйынтык кетирүү пайызы дээрлик туруктуу калган күндө да гидродинамикалык/мембраналык көрсөткүч бирдей калбаганын көрсөтөт.
Cd²⁺ концентрациясынын таасири
SDS концентрациясы 1 CMCде туруктуу кармалганда, 10–50 mg L⁻¹ диапазонундагы бардык Cd²⁺ берүү концентрацияларында кетирүү %99дан жогору калган. Бирок металл концентрациясы жогорулаган сайын пермеат агымы азайган: 10 mg L⁻¹ үчүн 178.04 ± 1.76, 20 mg L⁻¹ үчүн 174.04 ± 1.97, 30 mg L⁻¹ үчүн 171.36 ± 1.84 жана 50 mg L⁻¹ үчүн 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹ өлчөнгөн.
Электролит Концентрациясы Cd²⁺ Кетирүүнү Эмне үчүн Азайткан?
NaNO₃ кошуу эритмедеги Na⁺ концентрациясын көбөйткөн жана Na⁺ иондорунун SDSтеги терс байланышуу жерлери үчүн Cd²⁺ менен атаандашуусунун натыйжасында эркин Cd²⁺ көлөмү өскөн; ошондуктан NaNO₃ концентрациясы жогорулаган сайын Cd²⁺ кетирүү олуттуу азайган.
0.01 mol L⁻¹ NaNO₃ шартында Cd²⁺ кетирүү %98.84 ± 0.12 болсо, 0.03 mol L⁻¹де %90.44 ± 0.23кө жана 0.05 mol L⁻¹де %78.12 ± 0.01ге чейин төмөндөгөн. Ушул эле тартипте мембрана агымы 164.02 ± 1.67, 155.12 ± 1.65 жана 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹ деп билдирилген.
Бул жыйынтык колдонуу жагынан маанилүү; лабораторияда деиондоштурулган суу менен алынган өтө жогорку Cd²⁺ кетирүү пайыздары иондук күчү жогору чыныгы агынды сууларда ошол эле деңгээлде сакталат деп божомолдоого болбойт.
Мембрананын булганышы жана беттик мүнөздөмө
FTIR анализинде чийки мембрана менен 4 жана 40 саат колдонулган мембраналардын негизги PES тилкелеринде олуттуу өзгөрүү байкалган эмес. Болжол менен 3350 cm⁻¹де O–H созулушу; 620–867 cm⁻¹ диапазонунда ароматтык C–H; 1100–1200 cm⁻¹ диапазонунда сульфон; 1230–1270 cm⁻¹ диапазонунда эфир тилкелери байкалган.
Бул окшоштук процесстин жүрүшүндө мембрананын негизги химиялык түзүлүшү олуттуу өзгөрбөгөнүн колдойт. Бирок FTIR жука беттик катмарларга чектелген сезгичтикке ээ болгондуктан, жыйынтыкты “мембрана бети толугу менен таза калды” деп чечмелөөгө болбойт.
SEM сүрөттөрүндө 4 сааттан кийин жеңил чачыранды топтолмолор, 40 сааттын аягында болсо жука жана үзүл-кесил беттик топтолуу көрүнгөн. EDS өлчөөлөрүндө C, O жана S курамы негизинен сакталган жана байкаларлык Cd топтолушу аныкталбаганы билдирилген. Мындан тышкары, стандарттык тазалоодон кийин таза суу агымынын %95тен көбүнүн калыбына келиши топтолуу оор жана кайтарылгыс мембрана булганышына айланбаганын колдойт.
40 сааттык көрсөткүч
50 mg L⁻¹ Cd²⁺ жана 1 CMC SDS шартында система 40 саат үзгүлтүксүз иштетилген. Мембрана агымы иш учурунда байкаларлык төмөндөбөгөн; беш сааттык интервалдарда алынган пермеат үлгүлөрүндө Cd²⁺ кетирүү дайыма %98.5тен жогору болгон. Бул эксперимент кыска мөөнөттүү 4 сааттык сыноолорго караганда туруктуулуктун күчтүүрөөк көрсөткүчүн бергени менен, өнөр жай масштабында айлап созулган эксплуатациялык мөөнөттү билдирбейт.
Изилдөө колдогон жана колдобогон жыйынтыктар
Изилдөө колдогону: SDS колдоочу MEUF каралган лабораториялык шарттарда Cd²⁺ кетирүүнү PES ультрафильтрация мембранасы жалгыз камсыз кылган деңгээлден кыйла жогору көтөрө алат; 1 CMC SDS шартында болжол менен %99.4 кетирүү алынган. pH 3–9 диапазону кетирүү пайызын олуттуу начарлаткан эмес, ал эми NaNO₃ концентрация өскөн сайын көрсөткүчтү айкын төмөндөткөн. 40 сааттык лабораториялык иштөөдө агым туруктуулугу жана жогорку кетирүү сакталган.
Изилдөө колдобогону: Натыйжалар чыныгы өнөр жай агынды суусунда ошол эле көрсөткүч сөзсүз алынарын, башка оор металлдар жана органикалык заттар системага таасир этпей турганын, мембрана узак мөөнөттүү коммерциялык иштөөдө булганбай турганын же процесстин экономикалык жактан учурдагы өнөр жай тазалоо системаларынан артык экенин далилдебейт.
Изилдөөнүн Ыкмасы жана Натыйжалары
| Эксперименттик өзгөрмө | Шарт | Cd²⁺ кетирүү | Орточо агым | Негизги түшүндүрмө |
|---|---|---|---|---|
| SDS жок | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %30.88 ± 10.8 | 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹ | PES мембранасы жалгыз чектелген кетирүүнү камсыз кылды. |
| 0.5 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %96.77 ± 0.03 | 170.86 ± 3.04 L m⁻² h⁻¹ | CMCден төмөн шарттагы жогорку кетирүү системадагы эффективдүү CMC өзгөрүшү жана беттик топтолуу менен байланышкан. |
| 1 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %99.44 ± 0.68 | 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹ | Изилдөө тандаган оптималдуу SDS шарты. |
| 1.5 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | Болжол менен %99.76 | 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹ | Кетирүүдөгү аз гана кошумча өсүшкө карабай агым дагы төмөндөдү. |
| pH | pH 3–9, 1 CMC | %98.78–99.32 | 183.02ден 164.56 L m⁻² h⁻¹ге чейин азайды | Кетирүү салыштырмалуу туруктуу, агым pH менен өзгөрдү. |
| Cd²⁺ берүү концентрациясы | 10–50 mg L⁻¹ | Бардык шарттарда %99дан жогору | 178.04төн 168.29 L m⁻² h⁻¹ге чейин азайды | Металл концентрациясы көбөйгөн сайын агым азайды. |
| NaNO₃ | 0.01 mol L⁻¹ | %98.84 ± 0.12 | 164.02 ± 1.67 L m⁻² h⁻¹ | Төмөн иондук күчтө кетирүү негизинен сакталды. |
| NaNO₃ | 0.03 mol L⁻¹ | %90.44 ± 0.23 | 155.12 ± 1.65 L m⁻² h⁻¹ | Атаандаш иондун таасири айкын болду. |
| NaNO₃ | 0.05 mol L⁻¹ | %78.12 ± 0.01 | 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹ | Жогорку электролит концентрациясы MEUF көрсөткүчүн олуттуу төмөндөттү. |
| Узак мөөнөттүү иш | 40 h, 50 mg L⁻¹ Cd²⁺, 1 CMC | Ар бир өлчөөдө %98.5тен жогору | Байкаларлык туруктуу төмөндөө жок | Лабораториялык масштабда кыска/орто мөөнөттүү иштөө туруктуулугу көрсөтүлдү. |
CMCнин эксперименттик аныкталышы
CMC SDS эритмесинин электр өткөрүмдүүлүгү менен молярдуулугунун байланышы болжол менен эки сызыктуу режимге бөлүнүшү аркылуу аныкталган. Мономердик SDS иондору CMCге чейин өткөрүмдүүлүккө күчтүү салым кошсо, мицеллалануу башталгандан кийин эркин ташуучулардын жүрүмү өзгөрүп, өткөрүмдүүлүк–концентрация сызыгынын ылдыйышы башкача болот. Эки сызыктуу аймактын кесилишүүсү 8.14 mmol L⁻¹ деп өлчөнгөн.
Мүнөздөмөнүн илимий мааниси
FTIR мембрананын негизги химиялык функционалдык топтору сакталганын көрсөтөт. SEM/EDS изилдөөлөрү бетте таптакыр топтолуу жок экенин далилдебейт; 40 сааттын аягында жука катмар визуалдык түрдө байкалган. Ошондуктан эң этият чечмелөө — изилдөө шарттарында күчтүү жана туруктуу fouling байкалбаганы деген жыйынтык.
Бул Натыйжалар Чыныгы Өнөр Жай Агынды Суусунда Ошол Эле Көрсөткүчтү Далилдейби?
Жок. Эксперименттер деиондоштурулган суу менен даярдалган көзөмөлдөнгөн Cd²⁺ эритмелеринде жүргүзүлгөн; чыныгы агынды сууда болушу мүмкүн болгон көп металл иондору, эриген органикалык заттар, жогорку туздуулук, асма катуу заттар жана өзгөрмөлүү химиялык курам SDS–Cd²⁺ байланышын, мицеллаланууну, мембрана агымын жана fouling жүрүмүн өзгөртө алат.
NaNO₃ экспериментиндеги көрсөткүчтүн жоголушу бул чектөөнү өзгөчө ачык көрсөтөт: бир гана электролитти 0.05 mol L⁻¹ деңгээлине чейин көбөйтүү Cd²⁺ кетирүүнү болжол менен %78ге чейин түшүргөн. Ошондуктан чыныгы агынды суу менен текшерүү изилдөөнүн табигый кийинки этабы болуп саналат.
Булак жана Ыкма Эскертмеси
Түпнуска изилдөө: Advanced Micellar-Enhanced Ultrafiltration for the Removal of Cadmium (Cd2+) from Wastewater.
Авторлор: Prakriti Sapkota, Sunith B. Madduri, Raghava R. Kommalapati.
Мекемелер: 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, АКШ.
Журнал: Water.
Жарыя маалыматы: 2026, Том 18, Макала 191.
DOI: 10.3390/w18020191.
Жарыяланган күнү: 12-январь 2026.
Булак түрү: Рецензияланган изилдөө макаласы.
Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY). Автордук укук © 2026 авторлорго таандык; басмакана MDPI, Basel, Switzerland.
Каржылоо: National Science Foundation, CREST Center for Energy and Environmental Sustainability-Phase II, Award #1914692.
Маалымат жеткиликтүүлүгү: Авторлор маалыматтар макаланын ичинде экенин билдиришет.
Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришет.
Негизги методологиялык чектөө: Изилдөө лабораторияда даярдалган Cd²⁺ эритмесине негизделет. Чыныгы өнөр жай агынды суусу колдонулган эмес; көп компоненттүү матрица, мембрананын узак мөөнөттүү иштөө мөөнөтү, беттик-активдүү затты калыбына келтирүү жана толук масштабдагы процесстин экономикасы бааланган эмес.
Булак ичиндеги дал келбестик боюнча эскертүү: Толук эксперименттик натыйжаларда 0.5 CMC шарты %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ кетирүү берет; бирок жыйынтык бөлүмүндө “0.05 CMC” деген сөз өтөт. Бул эки маани бири-бирине дал келбейт. Verianla баяны эксперимент бөлүмүндөгү текшериле турган 0.5 CMC маалыматын негиз кылып, жыйынтык бөлүмүндөгү карама-каршы билдирүүнү өз алдынча табылга катары колдонгон эмес.
Пикир калтырыңыз
E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген