Ultrafiltrishaji ulioboreshwa kwa miseli (Micellar-Enhanced Ultrafiltration, MEUF) ni mbinu ya utenganishaji kwa membrane inayolenga kuhusisha ioni ndogo zilizo katika myeyusho na miundo mikubwa zaidi ya miseli inayoundwa na kiambata amilifu cha uso, ili zishikiliwe kwenye membrane ya ultrafiltrishaji. Utafiti huu ulichunguza uondoaji wa kadimiamu katika maji yenye Cd²⁺ yaliyotayarishwa maabara kwa kutumia sodiamu dodesili sulfati (SDS) pamoja na membrane ya polietasulfoni (PES) ya 30 kDa. Katika myeyusho safi wa SDS, mkusanyiko muhimu wa miseli uliamuliwa kuwa 8.14 mmol L⁻¹; katika hali ya 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ na 1 CMC SDS, uondoaji ulifikia %99.44 ± 0.68. Hata hivyo, kwa kuwa utafiti haukufanywa kwa maji taka halisi ya viwandani, matokeo hayapaswi kufasiriwa moja kwa moja kama utendaji wa mazingira halisi.

Majaribio hayakutathmini tu asilimia ya jumla ya uondoaji, bali pia athari ya kiasi cha SDS kwenye mtiririko wa membrane, mchango wa mabadiliko ya pH katika uondoaji, viwango tofauti vya Cd²⁺, athari ya ushindani ya elektrolaiti NaNO₃ katika myeyusho, na tabia ya membrane katika uendeshaji endelevu wa saa 40. Katika pH 3–9, uondoaji wa Cd²⁺ ulibaki juu ya %98, huku kuongezeka kwa mkusanyiko wa elektrolaiti kukisababisha kupungua dhahiri kwa utendaji wa uondoaji.

Uso wa membrane pia ulichunguzwa kwa FTIR, SEM na EDS. Hakukuwa na mabadiliko makubwa katika vikundi vya kikemia vinavyofanya kazi; ingawa tabaka jembamba na lisiloendelea lilionekana juu ya uso baada ya saa 40, hakuna kupungua kwa mtiririko kulikogunduliwa, na zaidi ya %95 ya mtiririko wa maji safi ilirejeshwa baada ya kusafisha. Matokeo haya yanaashiria mkusanyiko mdogo na kwa kiasi kikubwa unaoweza kurejeshwa juu ya uso, badala ya uchafuzi mkubwa na usioweza kurekebishwa.

Tatizo la utafiti

Cd²⁺ ni mojawapo ya vichafuzi muhimu vya metali nzito katika matibabu ya maji taka kwa sababu ya kudumu kwake majini na uwezo wake wa kujikusanya katika mifumo ya kibayolojia. Kwa kuwa ioni za metali zilizoyeyushwa zenye ukubwa mdogo wa molekuli zinaweza kupita moja kwa moja kupitia vinyweleo vya membrane za kawaida za ultrafiltrishaji, utenganishaji unaotegemea tu ukubwa wa vinyweleo mara nyingi hautoshi. Wazo kuu la MEUF ni kuunganisha ioni ya metali kimwili na muundo mkubwa zaidi wa kiambata amilifu cha uso ili kuunda kompleksi ambayo membrane inaweza kuizuia.

Ultrafiltrishaji Ulioboreshwa kwa Miseli Hufanyaje Kazi?

Katika ultrafiltrishaji ulioboreshwa kwa miseli, molekuli za kiambata amilifu cha uso chenye ioni huunda miseli zinapofikia mkusanyiko wa kutosha; vikundi vya kichwa vilivyo na chaji hasi vya kiambata amilifu cha uso cha anioni kama SDS vinaweza kuhusiana na ioni chanya za metali kama Cd²⁺, na hivyo badala ya metali kupita katika vinyweleo vya membrane kama ioni huru, inaweza kuzuiliwa upande wa retentati ndani ya muundo mkubwa zaidi wa kiambata amilifu cha uso–metali.

Molekuli ya SDS ina mkia wenye tabia ya hidrokaboni na kikundi cha kichwa cha sulfati chenye chaji hasi. Mkusanyiko wa SDS unapokaribia mkusanyiko muhimu wa miseli au unapovuka kizingiti hicho, molekuli za kiambata amilifu cha uso huanza kujikusanya. Utafiti ulitumia mabadiliko ya mteremko katika grafu ya upitishaji umeme–mkusanyiko, na katika mazingira ya SDS safi thamani ya CMC iliamuliwa kuwa 8.14 mmol L⁻¹ .

Ioni za metali na elektrolaiti nyingine katika myeyusho zinaweza kubadilisha mwingiliano wa kielektroniki na kufanya tabia ya uundaji wa miseli katika mfumo halisi kuwa tofauti na myeyusho safi wa SDS. Katika utafiti, hata katika hali ya 0.5 CMC, uondoaji wa %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ ulionekana; waandishi walieleza hali hii kwa uwezekano wa ioni za metali kupunguza CMC, mgawanyiko wa mkusanyiko karibu na membrane, na kujikusanya kwa SDS kwenye uso wa membrane. Huu ni ufafanuzi wa utafiti chanzo; haukutenganishwa moja kwa moja kwa jaribio moja maalumu la utaratibu wa kimolekuli.

Mfumo wa majaribio

Membrane mpya iliwekwa katika maji yaliyotolewa ioni kwa dakika tano kabla ya jaribio, kisha maji safi yakapitishwa kwenye mfumo ili kuimarisha mtiririko wa membrane. Katika kila jaribio la kawaida, uzito wa permeati ulirekodiwa kila dakika na takribani saa nne za data thabiti zilikusanywa. Baada ya majaribio, membrane ilisafishwa kwa dakika 30 kwa maji yaliyotolewa ioni, dakika 30 kwa 0.1 mol L⁻¹ NaOH, na tena dakika 30 kwa maji yaliyotolewa ioni.

Ufanisi wa uondoaji ulihesabiwaje?

Asilimia ya uondoaji wa Cd²⁺ katika utafiti chanzo ilihesabiwa kwa mlinganyo ufuatao:

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

Hapa \(C_p\) ni mkusanyiko wa Cd²⁺ katika permeati, na \(C_f\) ni mkusanyiko wa Cd²⁺ katika myeyusho wa malisho; zote mbili ziko katika mg L⁻¹. Kadiri uwiano wa \(C_p/C_f\) unavyopungua, ndivyo inavyoonyesha kuwa membrane haipitishi kadimiamu ya malisho kwenda upande wa permeati; kwa hiyo thamani ya \(R\) hukaribia %100.

Mtiririko wa membrane uliamuliwa kwa:

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

mlinganyo huu. \(J\) ni mtiririko wa permeati katika L m⁻² h⁻¹; \(V\) ni ujazo wa permeati; \(t\) ni muda wa mchakato na \(A\) ni eneo hai la membrane. Mtiririko unaonyesha kiasi cha kioevu kinachopita katika kila kitengo cha eneo la membrane kwa kila kitengo cha muda. Uondoaji mkubwa na mtiririko mkubwa si kitu kimoja; kuongeza kiasi cha kiambata amilifu cha uso kunaweza kuongeza uondoaji wa Cd²⁺ huku kukipunguza mtiririko.

Kwa Nini 1 CMC SDS Ilichaguliwa Kama Hali Bora?

Katika utafiti, 1 CMC SDS ilichaguliwa kama hali bora ya kiutendaji kwa sababu uondoaji wa Cd²⁺ ulifikia %99.44 ± 0.68, na kuongeza hadi 1.5 CMC kulileta faida ndogo tu ya ziada katika uondoaji huku mtiririko wa permeati ukipungua zaidi.

Mtiririko wa wastani kwa maji yaliyotolewa ioni ulikuwa 234.44 ± 1.43 L m⁻² h⁻¹, wakati katika myeyusho wenye Cd²⁺ pekee bila SDS ulikuwa 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹. Baada ya kuongeza SDS, katika 0.5 CMC mtiririko wa wastani ulipungua hadi 170.86 ± 3.04, katika 1 CMC hadi 168.29 ± 1.51 na katika 1.5 CMC hadi 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹.

Kwa upande mwingine, uondoaji wa Cd²⁺ ulikuwa %30.88 ± 10.8 tu bila SDS, katika 0.5 CMC ukaongezeka hadi %96.77 ± 0.03, katika 1 CMC hadi %99.44 ± 0.68, na katika grafu ya chanzo kwa 1.5 CMC hadi takribani %99.76. Ulinganisho huu unaonyesha kuwa kiambata amilifu cha uso zaidi hakitoi kila mara faida ya mchakato inayoongezeka kwa uwiano sawa.

Athari ya pH

Kwa 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ na 1 CMC SDS, katika pH 3 uondoaji ulipimwa kuwa %98.78 ± 0.28, katika pH 5 kuwa %99.23 ± 0.63, katika pH 7 kuwa %99.28 ± 0.14 na katika pH 9 kuwa %99.32 ± 0.09. Kwa hiyo, katika pH 3–9 iliyojaribiwa, utendaji wa uondoaji ulibaki juu na thabiti kwa kiasi.

Hata hivyo, mtiririko ulipungua pH ilipoongezeka: kwa pH 3, 5, 7 na 9 uliripotiwa kuwa 183.02 ± 1.97, 171.97 ± 1.55, 166.86 ± 1.55 na 164.56 ± 1.79 L m⁻² h⁻¹ mtawalia. Hii inaonyesha kuwa hata kama asilimia ya uondoaji inabaki karibu thabiti, utendaji wa hidrodinamiki/membrane haubaki sawa.

Athari ya mkusanyiko wa Cd²⁺

Mkusanyiko wa SDS ulipowekwa thabiti katika 1 CMC, katika viwango tofauti vya malisho ya Cd²⁺ vya 10–50 mg L⁻¹ uondoaji ulibaki juu ya %99 katika hali zote. Hata hivyo, mkusanyiko wa metali ulipoongezeka, mtiririko wa permeati ulipungua: kwa 10 mg L⁻¹ ulipimwa kuwa 178.04 ± 1.76, kwa 20 mg L⁻¹ kuwa 174.04 ± 1.97, kwa 30 mg L⁻¹ kuwa 171.36 ± 1.84 na kwa 50 mg L⁻¹ kuwa 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹.

Kwa Nini Mkusanyiko wa Elektrolaiti Ulipunguza Uondoaji wa Cd²⁺?

Kuongezwa kwa NaNO₃ kuliongeza mkusanyiko wa Na⁺ katika myeyusho, na ushindani wa ioni za Na⁺ na Cd²⁺ kwa maeneo hasi ya kujifunga kwenye SDS uliongeza kiasi cha Cd²⁺ huru; kwa hiyo, mkusanyiko wa NaNO₃ ulipoongezeka, uondoaji wa Cd²⁺ ulipungua kwa kiasi kikubwa.

Katika 0.01 mol L⁻¹ NaNO₃, uondoaji wa Cd²⁺ ulikuwa %98.84 ± 0.12; katika 0.03 mol L⁻¹ ulipungua hadi %90.44 ± 0.23 na katika 0.05 mol L⁻¹ hadi %78.12 ± 0.01. Kwa mpangilio huo huo, mtiririko wa membrane uliripotiwa kuwa 164.02 ± 1.67, 155.12 ± 1.65 na 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹.

Matokeo haya ni muhimu kwa matumizi halisi; haiwezi kudhaniwa kuwa asilimia kubwa sana za uondoaji wa Cd²⁺ zilizopatikana maabara kwa maji yaliyotolewa ioni zitasalia katika kiwango kilekile katika maji taka halisi yenye nguvu kubwa ya ioni.

Uchafuzi wa membrane na uainishaji wa uso

Katika uchambuzi wa FTIR, hakuna mabadiliko dhahiri yaliyoonekana katika bendi kuu za PES kati ya membrane ghafi na membrane zilizotumika kwa saa 4 na 40. Kunyooshwa kwa O–H kulionekana karibu 3350 cm⁻¹; C–H ya aromatiki katika 620–867 cm⁻¹; sulfone katika 1100–1200 cm⁻¹; na bendi za etha katika 1230–1270 cm⁻¹.

Ufanano huu unaunga mkono kwamba muundo mkuu wa kikemia wa membrane haukubadilika kwa kiasi kikubwa wakati wa mchakato. Hata hivyo, kwa kuwa FTIR ina unyeti mdogo kwa tabaka nyembamba za uso, matokeo hayapaswi kufasiriwa kuwa “uso wa membrane ulibaki safi kabisa”.

Katika picha za SEM, kulionekana mikusanyiko midogo iliyotawanyika baada ya saa 4, na baada ya saa 40 kulionekana mkusanyiko mwembamba na usioendelea juu ya uso. Vipimo vya EDS viliripoti kwamba muundo wa C, O na S ulihifadhiwa kwa kiasi kikubwa na hakuna mkusanyiko dhahiri wa Cd uliogunduliwa. Zaidi ya hayo, kurejeshwa kwa zaidi ya %95 ya mtiririko wa maji safi baada ya usafishaji wa kawaida kunaunga mkono kuwa mkusanyiko haukugeuka kuwa uchafuzi mkubwa na usioweza kurekebishwa wa membrane.

Utendaji wa saa 40

Katika hali ya 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ na 1 CMC SDS, mfumo uliendeshwa kwa saa 40 mfululizo. Mtiririko wa membrane haukuonyesha kushuka dhahiri wakati wote wa uendeshaji; katika sampuli za permeati zilizochukuliwa kila baada ya saa tano, uondoaji wa Cd²⁺ uliendelea kuwa juu ya %98.5. Jaribio hili linatoa kiashiria imara zaidi cha uthabiti kuliko majaribio mafupi ya saa 4, lakini haliwakilishi maisha ya uendeshaji ya miezi kadhaa katika kiwango cha viwanda.

Matokeo ambayo utafiti unaunga mkono na usiyounga mkono

Utafiti unaunga mkono: MEUF inayosaidiwa na SDS inaweza kuongeza uondoaji wa Cd²⁺ katika hali za maabara zilizochunguzwa hadi juu sana kuliko kiwango kinachopatikana kwa membrane ya ultrafiltrishaji ya PES pekee; katika 1 CMC SDS takribani %99.4 ya uondoaji ilipatikana. pH 3–9 haikuharibu sana asilimia ya uondoaji, lakini NaNO₃ ilipunguza utendaji kwa kiasi kikubwa kadiri mkusanyiko ulivyoongezeka. Uthabiti wa mtiririko na uondoaji mkubwa vilidumishwa katika uendeshaji wa maabara wa saa 40.

Utafiti hauungi mkono: Matokeo hayathibitishi kwamba utendaji huohuo utapatikana kwa uhakika katika maji taka halisi ya viwandani, kwamba metali nzito nyingine na vitu vya kikaboni havitaathiri mfumo, kwamba membrane haitachafuka katika uendeshaji wa kibiashara wa muda mrefu, au kwamba mchakato ni bora kiuchumi kuliko mifumo ya sasa ya matibabu ya viwandani.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Uamuzi wa CMC kwa majaribio

CMC iliamuliwa kwa kugawanya uhusiano kati ya upitishaji umeme wa myeyusho wa SDS na molariti katika maeneo mawili takribani ya mstari. Ioni za SDS monoma huchangia sana katika upitishaji kabla ya CMC, lakini baada ya uundaji wa miseli kuanza, tabia ya vibeba chaji huru hubadilika na mteremko wa mstari wa upitishaji–mkusanyiko hubadilika. Makutano ya maeneo mawili ya mstari yalipimwa kuwa 8.14 mmol L⁻¹.

Maana ya kisayansi ya uainishaji

FTIR inaonyesha kwamba vikundi vikuu vya kikemia vinavyofanya kazi vya membrane vilihifadhiwa. Uchunguzi wa SEM/EDS hauthibitishi kwamba hakuna kabisa mkusanyiko juu ya uso; baada ya saa 40 tabaka jembamba lilionekana kwa macho. Kwa hiyo, tafsiri salama zaidi ni kwamba katika hali za utafiti hakukuonekana fouling kali na ya kudumu .

Je, Matokeo Haya Yanathibitisha Utendaji Huohuo katika Maji Taka Halisi ya Viwandani?

Hapana. Majaribio yalifanywa katika myeyusho wa Cd²⁺ uliodhibitiwa uliotayarishwa kwa maji yaliyotolewa ioni; ioni nyingi za metali, vitu vya kikaboni vilivyoyeyushwa, chumvi nyingi, yabisi zilizosimamishwa na muundo wa kikemia unaobadilika unaoweza kuwepo katika maji taka halisi vinaweza kubadilisha kujifunga kwa SDS–Cd²⁺, uundaji wa miseli, mtiririko wa membrane na tabia ya fouling.

Kupungua kwa utendaji katika jaribio la NaNO₃ kunaonyesha wazi zaidi kizuizi hiki: kuongeza elektrolaiti moja tu hadi 0.05 mol L⁻¹ kulipunguza uondoaji wa Cd²⁺ hadi takribani %78. Kwa hiyo, uthibitishaji katika maji taka halisi ni hatua ya kawaida inayofuata ya utafiti.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

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

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

Taasisi: 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, Marekani.

Jarida: Water.

Taarifa ya uchapishaji: 2026, Juzuu 18, Makala 191.

DOI: 10.3390/w18020191.

Tarehe ya uchapishaji: 12 Januari 2026.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY). Hakimiliki © 2026 ni ya waandishi; mchapishaji ni MDPI, Basel, Switzerland.

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

Upatikanaji wa data: Waandishi wanaripoti kwamba data zimo ndani ya makala.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Kizuizi kikuu cha kimbinu: Utafiti unategemea myeyusho wa Cd²⁺ uliotayarishwa maabara. Maji taka halisi ya viwandani hayakutumika; matriksi yenye vipengele vingi, maisha ya muda mrefu ya membrane, urejeshaji wa kiambata amilifu cha uso na uchumi wa mchakato wa kiwango kamili havikutathminiwa.

Dokezo la kutokulingana ndani ya chanzo: Katika matokeo ya kina ya majaribio, hali ya 0.5 CMC inatoa uondoaji wa %96.77 ± 0.03 Cd²⁺; hata hivyo, katika sehemu ya hitimisho kuna usemi “0.05 CMC”. Thamani hizi mbili hazilingani. Simulizi la Verianla limetumia data inayoweza kuthibitishwa ya 0.5 CMC katika sehemu ya majaribio, na halikutumia usemi unaokinzana katika sehemu ya hitimisho kama matokeo huru.