Бул изилдөө классикалык агынды суу тазалоо процесстеринен өтүп кетүүгө жетишерлик майда жана коллоиддик жактан туруктуу полистирол нанопластиктерди (PS-NP), тазалоо курулмасынын чыгышына колдонулушу мүмкүн болгон үчүнчү баскычтагы процесс — электрокоагуляция аркылуу суудан алып салууга болобу же жокпу деген суроону изилдейт. Изилдөөчүлөр диаметри 175 ± 5 nm болгон монодисперстүү полистирол нанопластиктерди 20 mg/L концентрацияда, чыныгы экинчи тазалоо чыгыш суусунун физика-химиялык касиеттерин чагылдыруу үчүн даярдалган синтетикалык шаардык тазаланган агынды суу матрицасына кошуп, алюминий жана темир электроддорунун жүрүм-турумун салыштырышкан.
Электрокоагуляция эксперименттери 4 L системада, активдүү аянты 78 cm² болгон тегерек электроддордун ортосунда 9 mm аралык калтыруу менен жүргүзүлгөн. Эритме 260 rpm ылдамдыкта аралаштырылып, электрокоагуляция уячасынан үзгүлтүксүз кайра айлантылган. Колдонулган ток тыгыздыктары 1, 5 жана 10 mA/cm² болгон.
Изилдөөчүлөр нанопластик көлөмүн түздөн-түз бөлүкчө саноо менен эмес, негизинен жалпы органикалык көмүртек (TOC) жана булгануу аркылуу көзөмөлдөшкөн. Баштапкы TOC болжол менен 34,5 mg/L болгон. Анын болжол менен 18,38 mg/L көлөмү, башкача айтканда %53 нанопластиктерден; болжол менен 16,12 mg/L болсо синтетикалык агынды суудагы эриген органикалык затты чагылдырган ацетаттан келген.
Электрокоагуляциянын аягында TOC болжол менен %53 азайып, болжол менен 16 mg/L деңгээлинде туруктуу болгон. Бул маани баштапкы эриген органикалык зат фракциясына дал келген. Ацетат концентрациясынын процесс ичинде өзгөрбөгөнү да TOC азайышы эриген органикалык заттын кетишинен эмес, PS нанопластиктердин суюк фазадан чыгарылышынан келип чыкканын колдогон.
Көзөмөл экспериментинде электр тогу берилбегенде TOC болжол менен 34,8 mg/L деңгээлинде туруктуу калган. Ошондуктан нанопластиктердин тыгыздыгы суудан бир аз жогору болгондуктан өзүнөн-өзү чөгүшү байкалган кетирүүнү түшүндүргөн эмес. Ацетатсыз өзүнчө ырастоо экспериментинде болсо алюминий электрод жана 10 mA/cm² шартында TOC көрсөткүчүнүн 20 мүнөт ичинде толук жоголушу нанопластик кетирүү жоромолун дагы бекемдеген.
Электрод материалы өзгөчө төмөн ток тыгыздыгында кинетиканы айкын өзгөрткөн. 1 mA/cm² шартында алюминий электрод болжол менен 30 мүнөттө, темир электрод болсо болжол менен 90 мүнөттө толук нанопластик кетирүүнү билдирген TOC туруктуу абалына жеткен. 5 mA/cm² шартында эки электрод үчүн тең убакыт болжол менен 20 мүнөт болсо, 10 mA/cm² шартында алюминий болжол менен 10, темир болсо болжол менен 20 мүнөттө ошол эле акыркы чекке жеткен.
Механизм анализдери нанопластиктер кычкылдануу жолу менен ажыроодон көбүрөөк сүзүп-каптоочу флокуляция (sweep flocculation) аркылуу кетирилгенин көрсөткөн. Алюминий электроддорунда негизинен аморфтук Al(OH)3 түзүлүштөрү; темир электроддорунда болсо Fe(OH)3 пайда болушу жана кийин γ-Fe2O3 менен байыган флоктор байкалган. Бул металл (окси)гидроксид чөкмөлөрү нанопластиктерди физикалык түрдө өз курамына камтыган.
TEM сүрөттөрү процесстен мурда болжол менен 175 nm диаметри бар, тегиз тоголок жана өз-өзүнчө тараган PS нанопластиктерин көрсөтсө, процесстен кийин темир негизиндеги флоктордун ичинде өлчөмүн жана формасын сактаган көп сандагы ошол эле нанопластиктер көрүлгөн. Бул сүрөттөр бөлүкчөлөр жок кылынбаганын же майда пластик бөлүкчөлөргө ажырабаганын; пайда болгон флок түзүлүшүнүн ичине камалганын колдойт.
Курч уулуулук экспериментинде нанопластик камтыган баштапкы эритме Aliivibrio fischeri бактериясында EC50 = %30 маанисине ээ болгон. 10 mA/cm² шартында 20 мүнөттүк электрокоагуляциядан кийин алюминий жана темир электроддорунун экөөндө тең EC50 %100 көрсөткүчүнө көтөрүлүп, изилдөөдө курч уулуулук жоголду деп чечмеленген. Бул абал 120 мүнөт соңунда да сакталып калган.
Бирок уулуулук натыйжасы ушул тест организми, ушул PS-NP түрү, 20 mg/L баштапкы концентрация жана колдонулган синтетикалык матрица үчүн гана жарактуу. Өнөкөт уулуулук, башка суу организмдери, башка полимерлер, башка нанопластик өлчөмдөрү же чыныгы тазалоо курулмасынын чыгыш суулары бул изилдөөдө бааланган эмес.
Түркия жагынан чечмелөө: Изилдөө муниципалдык агынды суу тазалоо курулмаларында нанопластиктерди үчүнчү баскычтагы “жылтыратуучу” этап аркылуу кармоо жагынан Түркия үчүн да техникалык жактан маанилүү мамиле сунуштайт. Бирок изилдөө Түркиядагы тазалоо курулмасында же чыныгы шаардык агынды сууда жүргүзүлгөн эмес. Түркияда колдонуу мүмкүнчүлүгүн баалоо үчүн чыныгы курулма чыгыш сууларында нанопластик түрлөрү жана концентрациялары аныкталып, үзгүлтүксүз агымдагы пилоттук электрокоагуляция сыноолору, электрод чыгымы, ылайдын мүнөздөлүшү жана пайда болгон нанопластик жүктөлгөн ылайдын коопсуз башкарылышы өзүнчө ырасталышы керек.
Нанопластиктер эмне үчүн классикалык тазалоо процесстеринен өтүп кетиши мүмкүн?
Изилдөө микропластиктерди болжол менен 5 mm жана 1 µm аралыгындагы, нанопластиктерди болсо 1 µm көрсөткүчүнөн кичине пластик бөлүкчөлөр катары карайт. Нанопластиктердин өтө кичинекей өлчөмү аларды чоңураак микропластиктерден айырмаланган бөлүү көйгөйүнө айландырат. Чоң бөлүкчөлөр чөгүшү же физикалык кармалышы мүмкүн, ал эми нанопластиктер коллоиддик жүрүм-турум көрсөтүп, суюк фазада туруктуу таралышы мүмкүн.
Изилдөөчүлөрдүн баштапкы көз карашы — шаардык агынды суу тазалоо курулмалары микропластиктердин маанилүү бөлүгүн ылай жана чөктүрүү процесстери менен кармай алганы менен, нанопластиктер наноскоптук өлчөмдөрү жана коллоиддик касиеттери себептүү тазаланган суу менен кабыл алуучу чөйрөлөргө өтүп кетиши мүмкүн.
Электрокоагуляция бул көйгөйгө кантип мамиле кылат?
Электрокоагуляция сууга сырттан алюминий же темир туздарын кошуунун ордуна курмандык электроддорун электр тогу менен эритип, коагулянтты реактордун ичинде түзөт. Аноддогу негизги электрод эриш реакциялары булакта:
\[ \mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+}+2e^-} \]
жана:
\[ \mathrm{Al \rightarrow Al^{3+}+3e^-} \]
түрүндө берилген.
Пайда болгон металл иондору суунун pH деңгээлине жараша гидроксид жана оксигидроксид түрлөрүнө айланат. Бул түзүлүштөр коллоиддик нанопластиктер менен өз ара аракеттенет, бөлүкчөлөр ортосундагы электростатикалык түртүлүүнү азайтып, чоңураак флоктордун пайда болушуна алып келет.
Электрокоагуляцияда теориялык жактан үч негизги кетирүү механизми мүмкүн:
- нанопластиктердин металл гидроксид беттерине адсорбцияланышы,
- беттик заряддын нейтралдашуусу менен коллоиддик туруктуулуктун бузулушу,
- пайда болгон чоң металл гидроксид чөкмөлөрүнүн нанопластиктерди физикалык түрдө өз ичине алуусу, башкача айтканда сүзүп-каптоочу флокуляция.
Бул изилдөөдөгү зета потенциалы, pH-түрлөшүү диаграммасы, XRD жана TEM натыйжалары үчүнчү механизм үстөм экенин колдойт.
Эксперименттик система эмне үчүн чыныгы агынды суунун ордуна синтетикалык даярдалды?
Изилдөөчүлөр бул тандоону атайылап жасашкан. Чыныгы тазалоо курулмасынын чыгыш сууларынын химиялык курамы убакытка жана курулмага жараша өзгөрүшү мүмкүн. Бул өзгөрмөлүүлүк нанопластик–коагулянт өз ара аракеттенишин механисттик жактан ажыратууну кыйындатышы мүмкүн.
Мындан тышкары, чыныгы агынды суулардагы нанопластик концентрациялары изилдөөдө колдонулган TOC жана булгануу ыкмаларынын сандык аныктоо чегинен төмөн болушу мүмкүн экени белгиленет. Ошондуктан изилдөөчүлөр курамы көзөмөлдөнгөн синтетикалык экинчи тазалоо чыгыш суусун даярдап, нанопластиктерди 20 mg/L деңгээлинде кошушкан.
Бул эксперименттик дизайн механизмди күчтүү изилдөөгө шарт түзсө да, экологиялык реалдуулук жагынан маанилүү чек коёт: 20 mg/L концентрациясы чыныгы тазалоо чыгыштарында күтүлгөн деңгээлдерден жогору жана синтетикалык суу чыныгы агынды суудагы бардык органикалык жана органикалык эмес компоненттерди чагылдырбайт.
Электрокоагуляция уячасы кантип иштетилди?
| Параметр | Изилдөөдө колдонулган маани |
|---|---|
| Реактордун иш көлөмү | 4 L |
| Электрод материалдары | Алюминий же темир |
| Электрод геометриясы | Тегерек, бетме-бет |
| Активдүү электрод аянты | 78 cm² |
| Электрод аралыгы | 9 mm |
| Ток тыгыздыктары | 1, 5 жана 10 mA/cm² |
| Аралаштыруу | 260 rpm |
| Нанопластик | Полистирол, 175 ± 5 nm |
| Баштапкы PS-NP концентрациясы | 20 mg/L |
| Баштапкы TOC | Болжол менен 34,5 mg/L |
| Баштапкы булгануу | 24 NTU |
| Үлгү көлөмү | 40 mL |
| Үлгүдөн кийинки чөктүрүү | 30 мүнөт |
Электроддор ар бир экспериментке чейин жана андан кийин %4 HCl ичинде 10 мүнөт тазаланып, деиондоштурулган суу менен чайкалган.
Нанопластик кетирүүнү эмне үчүн TOC аркылуу көзөмөлдөөгө болду?
Синтетикалык агынды сууда баштапкы TOC көрсөткүчүнүн болжол менен %53 бөлүгү PS нанопластиктерден, калган болжол менен %46,6 бөлүгү болсо ацетаттан келип чыккан. Ацетат концентрациясы 39,53 mg/L болгон жана TOC көрсөткүчүнө болжол менен 16,12 mg/L салым кошкон.
Электрокоагуляция жүргөн сайын жалпы TOC болжол менен %53 азайып, болжол менен 16 mg/L деңгээлинде туруктуу болгон. Ацетат анализинде баштапкы концентрация өзгөрбөгөнү көрүнгөн. Демек, жоголгон көмүртек көлөмү баштапкы нанопластик көмүртек фракциясына дал келген.
Бул натыйжа изилдөөнүн тандалмалуулук дооматынын негизи болуп саналат: колдонулган шарттарда электрокоагуляция коллоиддик PS нанопластиктерин алып салган, ал эми эриген ацетатты өлчөнө турган деңгээлде кетирген эмес.
Өзүнөн-өзү чөгүү мүмкүнчүлүгү көзөмөлдөндүбү?
Ооба. PS нанопластиктердин тыгыздыгы болжол менен 1,05 g/mL болгондуктан теориялык түрдө убакыт менен чөгүү мүмкүнчүлүгү бар. Бул мүмкүнчүлүктү текшерүү үчүн электр берилбеген көзөмөл эксперименти жүргүзүлгөн.
Көзөмөл экспериментинде TOC болжол менен 34,8 mg/L баштапкы деңгээлинде өзгөрбөй калган. Ошондуктан электрокоагуляция экспериментиндеги TOC азайышын нанопластиктердин тыгыздыкка байланыштуу табигый чөгүшү менен гана түшүндүрүүгө болбойт.
Ток тыгыздыгы кетирүү ылдамдыгын кантип өзгөрттү?
Эки электрод материалында тең ток тыгыздыгы көбөйгөн сайын нанопластик кетирүү ылдамдаганы байкалган. Мунун негизги себеби жогору электр тогу металлдын тезирээк эришине жана ошону менен коагулянттын тезирээк түзүлүшүнө алып келет.
Алюминий электрод үчүн толук нанопластик кетирүүнү билдирген TOC туруктуу абалына:
- 1 mA/cm² шартында болжол менен 30 мүнөттө,
- 5 mA/cm² шартында болжол менен 20 мүнөттө,
- 10 mA/cm² шартында болжол менен 10 мүнөттө
жеткен.
Темир электрод үчүн тиешелүү убакыттар:
- 1 mA/cm² шартында болжол менен 90 мүнөт,
- 5 mA/cm² шартында болжол менен 20 мүнөт,
- 10 mA/cm² шартында болжол менен 20 мүнөт
болгон.
Алюминий эмне үчүн төмөн токто ылдамыраак болду?
1 mA/cm² шартында алюминий темирге караганда болжол менен үч эсе тез туруктуу абалга жеткени изилдөөнүн айкын табылгаларынын бири. Авторлор муну алюминийден тез түзүлүп, сууда узагыраак өз ара аракеттеше турган мономердик Al түрлөрүнүн жүрүм-туруму менен түшүндүрүшөт.
Темир негизиндеги коагулянттар болсо тыгызыраак гидролиз продуктуларын түзүп, тезирээк чөгүп, нанопластиктер менен байланыш убактысын чектеши мүмкүн деген түшүндүрмө берилген. Ошол эле учурда авторлор айырмага коагулянттын түрү гана эмес, пайда болгон коагулянт концентрациясы да таасир этиши мүмкүн экенин белгилешет.
Канча алюминий жана темир пайда болду?
Электрод эриши үчүн теориялык масса Фарадей мыйзамы менен эсептелген:
\[ m=\frac{I\,t\,M}{zF} \]
Бул жерде \(m\) эриген металл массасы, \(I\) ток, \(t\) убакыт, \(M\) молярдык масса, \(z\) өткөрүлгөн электрондордун саны жана \(F\) Фарадей туруктуусу.
Изилдөөдө нанопластик кетирүү үчүн жетиштүү деп билдирилген металл концентрациялары төмөнкүчө болгон:
| Ток тыгыздыгы | Al концентрациясы (mmol/L) | Fe концентрациясы (mmol/L) |
|---|---|---|
| 1 mA/cm² | 0,53 | 0,56 |
| 5 mA/cm² | 2,02 | 1,36 |
| 10 mA/cm² | 2,90 | 2,00 |
Эксперименттердин 120 мүнөттүк аягында жалпы металл концентрациялары мындан жогору болгон. Алюминий үчүн 1, 5 жана 10 mA/cm² шарттарында тиешелүүлүгүнө жараша болжол менен 0,95; 7,02 жана 10,54 mmol/L; темир үчүн 0,89; 4,44 жана 7,43 mmol/L өлчөнгөн.
Алюминий эмне үчүн Фарадей мыйзамындагыдан көбүрөөк эриди?
Темир электроддорунда эксперименттик эриш маанилери Фарадей мыйзамынын божомолдору менен жалпысынан дал келген. Алюминийде болсо эксперименттик металл көлөмү теориялык мааниден ашып, айырма жогорку ток тыгыздыктарында көбөйгөн.
Изилдөөчүлөр муну эки себеп менен түшүндүрүшөт. Биринчиден, хлорид иондору жогорку ток тыгыздыгында алюминийдин локалдык коррозиясын жеңилдетиши мүмкүн. Экинчиден, катод бетинде суунун калыбына келиши натыйжасында пайда болгон жергиликтүү щелочтук шарттар алюминий катоддун химиялык эришине алып келиши мүмкүн.
Фарадей мыйзамы электр тогу менен жүргөн анод эришин гана эсепке алгандыктан, катоддук химиялык коррозия бул теориялык эсепке кирбейт.
Булгануу натыйжалары TOC маалыматтарын колдодубу?
Ооба. Баштапкы булгануу болжол менен 24 NTU болгон жана бардык ток тыгыздыктары менен эки электрод материалында убакыт өткөн сайын азайып, изилдөөнүн аныктамасы боюнча толук кетирүүгө жеткен. Жогорку ток тыгыздыгы бул процессти ылдамдаткан.
Алюминий электроддор булганууну өзгөчө 1 mA/cm² шартында темирге караганда ылдамыраак азайткан. 10 mA/cm² алюминий экспериментинде толук булгануу кетирүү болжол менен 10 мүнөт ичинде болуп, TOC туруктуу абалга жетүү убактысы менен болжол менен дал келген.
Төмөн ток тыгыздыгында булгануунун нөлгө жакындашы TOC туруктуу абалга жетишинен узагыраак созулган. Изилдөөчүлөр муну сууда калган металл коагулянт түрлөрүнүн өздөрү да белгилүү убакыт булганууга салым кошо алышы менен түшүндүрүшөт.
Зета потенциалы нанопластиктердин туруктуулугу тууралуу эмнени айтты?
Башында PS нанопластиктердин зета потенциалы болжол менен −51 mV болгон. Бул жогорку терс маани бөлүкчөлөр бири-бирин электростатикалык түрдө түртүп, туруктуу коллоиддик суспензия түзгөнүн көрсөтөт.
Электрокоагуляция жүргөн сайын зета потенциалы нөлгө жакындаган:
| Ток тыгыздыгы | Al акыркы зета потенциалы (mV) | Fe акыркы зета потенциалы (mV) |
|---|---|---|
| 1 mA/cm² | −5,24 | −8,90 |
| 5 mA/cm² | −3,50 | −6,18 |
| 10 mA/cm² | −0,77 | −4,97 |
Айрыкча 10 mA/cm² алюминий экспериментинде −0,77 mV маани система изоэлектрдик чекитке абдан жакындап, бөлүкчөлөр ортосундагы электростатикалык түртүлүү дээрлик жоголгонун көрсөтөт.
pH кайсы коагулянт түрлөрү пайда болорун аныктады?
Алюминий электроддор менен иштегенде pH ток тыгыздыгына карабастан убакыт менен жогорулап, болжол менен pH 9 деңгээлинде туруктуу болгон. Түрлөшүү диаграммалары бул аймакта негизги эрибеген түр Al(OH)3 экенин көрсөткөн.
Алюминийдин булакта берилген ырааттуу гидролиз жолу:
\[ \mathrm{Al^{3+}+OH^- \rightarrow Al(OH)^{2+}} \]
\[ \mathrm{Al(OH)^{2+}+OH^- \rightarrow Al(OH)_2^+} \]
\[ \mathrm{Al(OH)_2^++OH^- \rightarrow Al(OH)_3} \]
түрүндө.
Темир электроддорунда pH жүрүм-туруму башкача болгон. 1 mA/cm² шартында акыркы pH болжол менен 6,6, 5 mA/cm² шартында 7,93 жана 10 mA/cm² шартында 7,60 болгон. Түрлөшүү анализинде Fe(OH)3 үстөм чөкмө экени, Fe2O3 пайда болушу да механизмге салым кошушу мүмкүн экени бааланган.
Сүзүп-каптоочу флокуляция деген эмне?
Сүзүп-каптоочу флокуляцияда максаттуу булгоочу жөн гана бир бетке адсорбцияланбайт. Металл гидроксид чөкмөлөрү эритменин көлөмү боюнча өсүп жатканда булгоочу бөлүкчөлөрдү физикалык түрдө ошол чөкмө түзүлүшүнүн ичине камайт.
Бул изилдөөдө нанопластиктердин зета потенциалы нөлгө жакындап коллоиддик туруктуулукту азайткан, ал эми Al(OH)3 жана темир (окси)гидроксид флокторунун өсүшү PS нанопластиктерди курамына алган. Натыйжада нанобөлүкчөлөр суюктукта өз-өзүнчө тараган абалда калбастан, чоң жана бөлүп алууга боло турган флокторго айланган.
XRD алюминий жана темир флокторунун айырмалуу экенин көрсөттү
XRD анализинде алюминий электроддуу ылайда ачык жана курч кристаллдык пиктер байкалган эмес. 2θ болжол менен 15–20°, 27–30° жана 60–65° аймактарында кең жана тайыз максимумдар табылган. Изилдөөчүлөр муну негизинен аморфтук же нанокристаллдык Al(OH)3 чөкмөлөрүнө туура келет деп түшүндүрүшкөн.
Бул төмөн тартиптүү, күчтүү гидратталган Al(OH)3 түзүлүштөрү көлөмдүү “сүзүп-каптоочу флокторду” түзүп, нанопластиктерди физикалык түрдө ичине камышы мүмкүн.
Темир электроддуу ылайда болсо болжол менен 2θ = 30°, 35,5°, 43°, 57° жана 62,5° позицияларында ачык кристаллдык чагылуулар байкалган. Пиктер шпинель тибиндеги темир оксиддерине жана айрыкча маггемит, γ-Fe2O3 менен шайкеш келген.
Изилдөөчүлөр темир системасында башында чөккөн Fe(OH)3 убакыт өткөн сайын кычкылдануу жана дегидроксилденүү аркылуу кристаллдуураак Fe(III) оксиддерине айланышы мүмкүн деп баалашат.
TEM сүрөттөрү механизмди түздөн-түз кантип колдоду?
Процесске чейинки TEM сүрөтүндө болжол менен 175 nm диаметри бар тегиз, тоголок PS бөлүкчөлөрү бири-биринен бөлүнгөн жана бир тектүү тараган абалда болгон.
10 mA/cm² темир электрокоагуляциясынан кийин алынган ылайдын TEM сүрөтүндө болсо чоң флоктордун ичинде көп сандагы PS нанопластиктер көрүнгөн. Бөлүкчөлөр болжол менен баштапкы өлчөмүн жана тоголок формасын сактап, бирок мындан ары эркин тараган эмес.
Бул сүрөт изилдөөнүн эң маанилүү механисттик далилдеринин бири. Нанопластиктер майда органикалык молекулаларга минералдашкандай көрүнбөйт; алар металл (окси)гидроксид флокторунун ичине физикалык түрдө камалган.
Электрокоагуляция нанопластик уулуулугун да азайттыбы?
Курч уулуулук Aliivibrio fischeri биолюминесценция тести менен бааланган. Баштапкы нанопластик камтыган синтетикалык агынды сууда EC50 = %30 өлчөнгөн. Изилдөөчүлөр муну айкын курч уулуулук деп баалашкан.
Нанопластик камтыбаган синтетикалык агынды сууда уулуулук байкалбаганы айтылат. Бул көзөмөлдүн графиги макалада көрсөтүлбөсө да, авторлор баштапкы курч таасир негизинен PS нанопластиктерден келип чыккан деген жыйынтыкка келишет.
10 mA/cm² шартында 20 мүнөт электрокоагуляциядан кийин алюминий жана темир электроддорунун экөөндө тең EC50 = %100 көрсөткүчүнө жеткен. Изилдөөдө бул натыйжа нанопластиктен келип чыккан курч уулуулук толугу менен басылган деп чечмеленген.
120 мүнөт аягында EC50 %100 бойдон калганы изилденген биотест жагынан узак электрокоагуляция жаңы өлчөнө турган курч уулуу таасир жаратпаганын көрсөткөн.
Бул натыйжа бардык экотоксикологиялык тобокелдик жоголду дегенди билдирбейт. Болгону A. fischeri курч тести колдонулган; өнөкөт уулуулук, башка трофикалык деңгээлдер, металл жүктөлгөн ылайдын экотоксикологиясы жана узак мөөнөттүү айлана-чөйрөлүк таасирлер изилдөө чегинен тышкары калган.
Уулуулук бөлүкчөлөрдү минералдаштырбай туруп эмне үчүн азайды?
Өнүккөн кычкылдануу процесстеринде уулуулуктун азайышы көп учурда булгоочу молекуланын кычкылданышы же минералдашуусу менен байланыштуу. Бул изилдөөдө башка механизм байкалган.
Электрокоагуляция PS нанопластиктерди химиялык жактан жок кылуунун ордуна суюк фазадан алып, флок түзүлүшүнүн ичине камап, тест организмдин бөлүкчөлөр менен түз байланышын тоскоол кылган. Изилдөөчүлөр уулуулуктун азайышын ушул физикалык бөлүү менен байланыштырышат.
Энергия керектөөсү канча болду?
Өзгөчө энергия керектөөсү:
\[ EC=\frac{UIt}{V} \]
теңдемеси менен эсептелген. Бул жерде \(U\) уяча чыңалуусу, \(I\) ток, \(t\) толук нанопластик кетирүү үчүн керек болгон убакыт жана \(V\) иштетүү көлөмү.
| Электрод | Ток тыгыздыгы (mA/cm²) | Толук кетирүү убактысы (мүн) | Өзгөчө энергия керектөөсү (kWh/m³) |
|---|---|---|---|
| Al | 1 | 30 | 0,017 |
| Al | 5 | 20 | 0,112 |
| Al | 10 | 10 | 0,190 |
| Fe | 1 | 90 | 0,052 |
| Fe | 5 | 20 | 0,152 |
| Fe | 10 | 20 | 0,603 |
Ток тыгыздыгы көбөйгөн сайын процесс ылдамдаганы менен өзгөчө энергия керектөөсү да жогорулаган. Эң төмөн энергия керектөөсү 0,017 kWh/m³ менен 1 mA/cm² алюминий шартында байкалган. Эң жогорку маани болсо 0,603 kWh/m³ менен 10 mA/cm² темир шартында билдирилген.
Бул натыйжа жөн гана “эң ылдам шарт”ты тандоо энергия жагынан эң жакшы шартты бербей турганын көрсөтөт. Алюминий 10 mA/cm² шартында 10 мүнөттө кетирүүгө жеткени менен, 1 mA/cm² шарты үч эсе узакка созулганына карабастан өзгөчө энергия керектөөсү кыйла төмөн болгон.
Изилдөө колдогон жыйынтыктар
- Алюминий жана темир электрокоагуляциясы колдонулган синтетикалык шаардык тазаланган агынды суу матрицасында 20 mg/L жана 175 ± 5 nm PS нанопластиктерди изилдөөнүн TOC жана булгануу критерийлерине ылайык толук кетирген.
- Нанопластиктерге туура келген болжол менен %53 TOC фракциясы кетирилгенде, ацетат менен берилген эриген органикалык зат туруктуу калган.
- Электр берилбеген көзөмөлдө TOC өзгөрбөгөндүктөн, табигый чөгүү байкалган кетирүүнүн негизги түшүндүрмөсү эмес.
- Алюминий электрод 1 mA/cm² шартында темир электродго караганда кыйла тез нанопластик кетирүү камсыз кылган.
- Жогорку ток тыгыздыктары эки электрод үчүн тең кетирүү кинетикасын ылдамдаткан.
- Зета потенциалынын болжол менен −51 mV маанисинен нөлгө жакындашы нанопластиктердин коллоиддик туруктуулугу бузулганын көрсөтөт.
- Алюминий системасында аморфтук Al(OH)₃, темир системасында Fe(OH)₃ жана γ-Fe₂O₃ менен байланышкан флоктор аныкталган.
- TEM сүрөттөрү PS нанопластиктер металл (окси)гидроксид флокторунун ичине физикалык түрдө камалганын көрсөткөн.
- Сүзүп-каптоочу флокуляция изилдөөнүн үстөм кетирүү механизми болуп саналат.
- 10 mA/cm² шартында 20 мүнөт электрокоагуляциядан кийин Aliivibrio fischeri курч уулуулук жообу изилдөөнүн өлчөөсүнө ылайык жоголгон.
Изилдөө көрсөтпөгөн жыйынтыктар
- Изилдөө чыныгы муниципалдык тазалоо курулмасынын чыгыш суусунда талаалык ырастоо жүргүзгөн эмес.
- 20 mg/L баштапкы нанопластик концентрациясын экологиялык реалдуу концентрация деп чечмелөөгө болбойт.
- Полиэтилен, полипропилен, PET же башка нанопластик полимерлер сыналган эмес.
- 175 nm өлчөмүнөн башка кең нанопластик өлчөм бөлүштүрүүсү бааланган эмес.
- Изилдөө үзгүлтүксүз агымдагы пилоттук же толук масштабдагы тазалоо курулмасынын көрсөткүчүн көрсөтпөйт.
- Нанопластиктер химиялык жактан минералдашканы көрсөтүлгөн эмес; механизм негизинен физикалык флок кармоо.
- Бир гана курч бактерия тести бүт экологиялык коопсуздукту далилдебейт.
- Нанопластик жүктөлгөн электрокоагуляция ылайынын узак мөөнөттүү экологиялык коопсуздугу же акыркы жок кылуу ыкмасы эксперименттик бааланган эмес.
- Электрод чыгымы жана энергия маалыматтарын лабораториялык масштабдан толук масштабдагы экономикалык көрсөткүчкө түз которууга болбойт.
Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары
Изилдөөнүн эксперименттик иш агымы
| Баскыч | Колдонуу | Илимий максат |
|---|---|---|
| Синтетикалык агынды суу даярдоо | Экинчи тазалоо чыгышын чагылдырган иондук жана органикалык матрица | Көзөмөлдөнгөн, бирок реалисттик физика-химиялык фон түзүү |
| Нанопластик кошуу | 175 ± 5 nm PS-NP, 20 mg/L | TOC жана булгануу менен ишенимдүү сандык көзөмөл |
| Электрокоагуляция | Al же Fe электрод; 1, 5, 10 mA/cm² | Электрод жана ток тыгыздыгынын таасирин салыштыруу |
| TOC жана ацетат | TOC анализатору жана иондук хроматография | Нанопластик көмүртегин эриген органикалык заттан ажыратуу |
| Металл анализи | MP-AES | Электрод эришин жана Фарадей жүрүм-турумун аныктоо |
| Зета потенциалы | Zetasizer | Коллоиддик туруктуулук жана заряд нейтралдашуусун көзөмөлдөө |
| XRD | Cu Kα, 10–100° 2θ | Электрокоагуляция ылайындагы металл фазаларын аныктоо |
| TEM | 200 kV TEM жана ImageJ | Нанопластиктердин флок ичиндеги физикалык абалын көрүү |
| Курч уулуулук | Aliivibrio fischeri, UNE-EN ISO 11348-3 | Физикалык кетирүүнүн биологиялык тобокелдик жообуна таасирин сыноо |
TOC масса балансынын кыскача жыйынтыгы
| TOC компоненти | Болжолдуу маани | Жалпыдагы үлүш |
|---|---|---|
| PS нанопластиктерге туура келген TOC | 18,38 mg/L | Болжол менен %53 |
| Ацетат/эриген органикалык зат TOC | 16,12 mg/L | Болжол менен %46,6 |
| Баштапкы жалпы TOC | 34,50 mg/L | %100 |
| Электрокоагуляциядан кийинки туруктуу TOC | Болжол менен 16 mg/L | Эриген органикалык зат фракциясына шайкеш |
Электрод материалына жараша pH жана зета потенциалы
| Электрод | Ток тыгыздыгы | Акыркы pH | Акыркы зета потенциалы | Үстөм механисттик түр |
|---|---|---|---|---|
| Al | 1 mA/cm² | Болжол менен 9 | −5,24 mV | Al(OH)₃ |
| Al | 5 mA/cm² | Болжол менен 9 | −3,50 mV | Al(OH)₃ |
| Al | 10 mA/cm² | Болжол менен 9 | −0,77 mV | Al(OH)₃ |
| Fe | 1 mA/cm² | 6,6 | −8,90 mV | Fe(OH)₃ / Fe оксиддери |
| Fe | 5 mA/cm² | 7,93 | −6,18 mV | Fe(OH)₃ / Fe оксиддери |
| Fe | 10 mA/cm² | 7,60 | −4,97 mV | Fe(OH)₃ / Fe оксиддери |
Курч уулуулук экспериментинин камтуу чеги
Уулуулук тестинде тоңдурулуп кургатылган Aliivibrio fischeri бактериялары %2 NaCl камтыган чөйрөдө кайра активдештирилген. Үлгүнүн ар кандай суюлтуулары бактерияларга колдонулуп, 5 жана 15 мүнөттөн кийинки биолюминесценция өлчөнгөн. Биолюминесценцияны %50 азайткан үлгү концентрациясы EC50 катары эсептелген.
| Үлгү | EC₅₀ | Изилдөөдөгү чечмелөө |
|---|---|---|
| Баштапкы PS-NP камтыган синтетикалык агынды суу | %30 | Айкын курч уулуулук |
| 20 мүн Al электрокоагуляциясы, 10 mA/cm² | %100 | Курч уулуулуктун басылышы |
| 20 мүн Fe электрокоагуляциясы, 10 mA/cm² | %100 | Курч уулуулуктун басылышы |
| 120 мүн Al электрокоагуляциясы | %100 | Жаңы курч уулуу жооп байкалган жок |
| 120 мүн Fe электрокоагуляциясы | %100 | Жаңы курч уулуу жооп байкалган жок |
Эксперименттик дизайндын күчтүү жактары
- Нанопластик кетирүү бир эле өлчөө менен эмес, TOC, ацетат, булгануу, зета потенциалы, XRD жана TEM сыяктуу бири-бирин толуктаган ыкмалар менен изилденген.
- Электрсиз көзөмөл эксперименти табигый чөгүү мүмкүнчүлүгүн баалаган.
- Ацетатсыз кошумча эксперимент TOC азайышынын PS нанопластиктер менен байланышын өз алдынча колдогон.
- Алюминий жана темир бирдей эксперименттик архитектурада түз салыштырылган.
- Физика-химиялык кетирүү курч биологиялык жооп менен байланыштырылган.
- Энергия керектөөсү толук кетирүү үчүн керек болгон чыныгы процесс убактысына жараша эсептелген.
Негизги методологиялык чектөөлөр
- Чыныгы тазалоо курулмасынын чыгыш суусунун ордуна синтетикалык матрица колдонулган.
- 20 mg/L PS-NP концентрациясы экологиялык деңгээлдерден жогору.
- Бир гана полимер түрү жана болжол менен бир бөлүкчө өлчөмү изилденген.
- Нанопластик чыгыш концентрациясы түздөн-түз бөлүкчө саноо менен аныкталган эмес.
- Курч уулуулук болгону Aliivibrio fischeri менен сыналган.
- Үзгүлтүксүз агымдагы жана пилоттук масштабдагы ырастоо жүргүзүлгөн эмес.
- Нанопластик жүктөлгөн ылайды жок кылуу же кайра пайдалануу эксперименттик бааланган эмес.
- Негизги ыкма текстинде электрокоагуляция эксперименттеринин кайталануу саны так билдирилген эмес.
Келечектеги изилдөө муктаждыктары
Изилдөөчүлөр кийинки этапта электрокоагуляцияны үзгүлтүксүз агым шартында жана пилоттук масштабда баалоону сунушташат. Мындай изилдөө реалисттик энергия керектөөсү жана масштабдалуу мүмкүнчүлүгү тууралуу маалымат алуу үчүн маанилүү.
Мындан тышкары, башка нанопластик полимерлерин, башка бөлүкчө өлчөмдөрүн жана өзгөрүп турган агынды суу матрицаларын изилдөө керек. Электрокоагуляция ылайындагы нанопластиктерди деталдуу мүнөздөө жана коопсуз жок кылуу же кайра баалоо жолдору да изилдөө ачык калтырган негизги экологиялык маселелер.
Булак жана Ыкма Эскертүүсү
Оригиналдуу изилдөөнүн толук аталышы: Mechanistic insights into electrocoagulation-driven removal of polystyrene nanoplastics from urban treated wastewater
Авторлор, оригиналдуу ирети менен: Alejandro Pérez-López; Carmen M. Domínguez; Sergio Rodríguez; Aurora Santos; Salvador Cotillas.
Тең салым/тең биринчи автор: Булакта тең биринчи автор же тең салым жөнүндө билдирүү жок.
Жооптуу автор: Salvador Cotillas.
Мекеме: Department of Chemical and Materials Engineering, Faculty of Chemical Sciences, Complutense University of Madrid, Avenida Complutense s/n, Madrid 28040, Spain.
Булак түрү: Эксперименттик оригиналдуу изилдөө макаласы.
Журнал: Environmental Pollution.
Том / макала номери: Том 401, Макала 128344.
DOI: 10.1016/j.envpol.2026.128344
Жөнөтүлгөн дата: 17 Январь 2026.
Ревизия датасы: 8 Май 2026.
Кабыл алынган дата: 12 Май 2026.
Онлайн жарыяланган дата: 13 Май 2026.
Рецензия абалы: Рецензияланган Environmental Pollution журналында жарыяланган оригиналдуу изилдөө макаласы.
Басмакана: Elsevier Ltd.
Расмий жарыя шилтемеси:ScienceDirect — расмий макала барагы
DOI шилтемеси:https://doi.org/10.1016/j.envpol.2026.128344
Ачык жеткиликтүүлүк жана лицензия: Макала ачык жеткиликтүү жарыяланган жана Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0) лицензиясына ээ.
Каржылоо: Изилдөө TED2021-131380A-C22 (REGENEDAR) долбоорунун алкагында MCIN/AEI жана European Union NextGenerationEU/PRTR тарабынан; CNS2023-144029 грантынын алкагында MICIU/AEI жана European Union NextGenerationEU/PRTR тарабынан; ошондой эле Community of Madrid тарабынан каржыланган TEC-2024/ECO-69 (CARESOIL-CM) долбоорунун алкагында колдоого алынган.
Маалымат жеткиликтүүлүгү: Булакта маалыматтар суроо боюнча жеткиликтүү болору айтылат.
Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор изилдөөгө таасир эте турган белгилүү финансылык кызыкчылык же жеке мамиле жок экенин билдиришет.
Автордук салымдар
Alejandro Pérez-López: Карап чыгуу жана редакциялоо, оригиналдуу долбоор жазуу, изилдөө жана формалдуу анализ.
Carmen M. Domínguez: Карап чыгуу жана редакциялоо, ыкма жана каржылоону камсыз кылуу.
Sergio Rodríguez: Карап чыгуу жана редакциялоо жана ыкма.
Aurora Santos: Карап чыгуу жана редакциялоо жана каржылоону камсыз кылуу.
Salvador Cotillas: Карап чыгуу жана редакциялоо, оригиналдуу долбоор жазуу, кеңеш берүү, ыкма, каржылоону камсыз кылуу, формалдуу анализ, маалыматтарды иреттөө жана концептуалдаштыруу.
Булак ичиндеги теңдеме эскертүүсү
Темир коагулянттарынын пайда болушун түшүндүргөн Теңдеме (10) булакта:
\[ \mathrm{Fe^{3+}+H_2O\rightarrow Fe(OH)_3+3H^+} \]
түрүндө басылган. Теңдеме бул абалында атом балансы жагынан стехиометриялык жактан шайкеш эмес. Verianla булакка берилгендик талабынан улам теңдемени унчукпай өзгөрткөн эмес. Макаланын механизм чечмелөөсүндө негизги илимий идея Fe³⁺ гидролизи менен Fe(OH)₃ пайда болушу жана протон бөлүнүп чыгышы болуп саналат.
“Реалисттик агынды суу матрицасы” деген сөз айкашынын чеги
Булак кыскача жана жыйынтык бөлүмдөрүндө изилдөөнү “complex, realistic wastewater matrix” деп аныктайт. Бирок материал жана ыкма бөлүмү колдонулган суу чыныгы WWTP чыгышы эмес, чыныгы экинчи тазалоо чыгышынын физика-химиялык касиеттерин туурап даярдалган синтетикалык шаардык тазаланган агынды суу экенин так көрсөтөт.
Ошондуктан Verianla текстинде жыйынтыктар “чыныгы агынды сууда ырасталган” катары берилген эмес.
Нанопластик концентрациясынын чеги
Баштапкы 20 mg/L PS-NP концентрациясы булактын өз түшүндүрмөсүнө ылайык чыныгы агынды суу чыгыштарында билдирилген концентрациялардан жогору. Бул маани TOC жана булгануу сыяктуу аналитикалык ыкмалар менен ишенимдүү механисттик көзөмөл жүргүзүү үчүн тандалган.
Ошондуктан %100 көрсөткүчүнө туура келген кетирүү натыйжасы төмөн экологиялык нанопластик концентрацияларында же чыныгы курулма матрицаларында ошол эле кинетика түз сакталат дегенди далилдебейт.
“Толук кетирүү” сөз айкашынын аналитикалык чеги
Изилдөө чыгыш суудагы бардык PS нанопластиктерди бирден санаган же полимер массасын түздөн-түз атайын ыкма менен өлчөгөн акыркы чек колдонгон эмес. Толук кетирүү; нанопластиктерге туура келген TOC фракциясынын толук жоголушу, ацетаттын туруктуу калышы, булгануунун >%99 азайышы, ацетатсыз ырастоо эксперименти жана TEM механизм сүрөттөрүн бирге баалоо аркылуу чыгарылган.
Бул далилдер тизмеги механисттик жактан күчтүү болгону менен, “нөл нанопластик бөлүкчө” деген билдирүү көз карандысыз, экологиялык деңгээлдеги ультра-сезгич нанобөлүкчө саноо ыкмасы менен ырасталды дегенди билдирбейт.
Курч уулуулук натыйжасынын чеги
Уулуулук натыйжалары Aliivibrio fischeri курч биолюминесценция ингибиция тестине тиешелүү. EC50 көрсөткүчүнүн %100 ге көтөрүлүшү бул тестте изилденген курч таасир басылганын көрсөтөт; бардык суу организмдери, өнөкөт таасирлер, биоаккумуляция же экосистема деңгээлиндеги узак мөөнөттүү тобокелдиктер бааланган эмес.
Бул Verianla мазмунундагы эксперимент шарттары, механизм түшүндүрмөлөрү, TOC жана булгануу натыйжалары, зета потенциалдары, XRD/TEM жоромолдору, уулуулук маалыматтары жана энергия керектөөлөрү изилденген эмгекке гана негизделген. Тышкы ырастоо библиографиялык идентификацияны, расмий жарыя жазуусун жана журналдын рецензия абалын текшерүү үчүн гана колдонулган.
Пикир калтырыңыз
E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген