Baadhi ya maji taka yanayoweza kuzalishwa katika viwanda vya nguo, petrokemia na dawa yanaweza kuwa na kiasi kikubwa cha chumvi na vichafuzi vya kikaboni kwa wakati mmoja. Wakati wa kutibu maji ya aina hii, si kila mara ni jambo linalotakiwa kuhifadhi pamoja vitu vyote vilivyoyeyushwa. Hasa, kutenganisha misombo ya kikaboni yenye thamani au yenye matatizo kwa mazingira, kama vile rangi, kutoka kwenye chumvi kunaweza kuwa muhimu ili kuwezesha matumizi tena ya maji, chumvi na vipengele vya kikaboni.

Katika utafiti huu, wanasayansi waliunganisha molekuli ya makrosiklo yenye muundo wa pande tatu iitwayo TACA, inayoelezwa kama calixarene yenye vikundi vinne vya aldehyde, na m-phenylenediamine (MPD) ili kutengeneza utando mpya wa kompoziti wa tabaka jembamba. Badala ya upolimishaji wa haraka wa kawaida kwenye kiolesura, walitumia mbinu inayosaidiwa na usambaaji ulioelekezwa iitwayo “unidirectional diffusion assisted interfacial polymerization”, kwa kifupi UDIP. Kiunzi cha haidrojeli ya Kevlar kiliwezesha MPD kufikia TACA kwa namna inayodhibitiwa bila kuchanganya moja kwa moja awamu mbili za monoma.

Utando ulioboreshwa wa TACA_0.5MPD_0.5-3 ulionyesha upenyezaji wa maji wa 63,8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹. Katika utando huohuo, uzuiaji wa Congo red ulikuwa %99,6, wa Direct red 23 %99,4, wa Methyl blue %98,9 na wa Direct yellow 12 %99,0, ilhali uzuiaji wa NaCl ulikuwa %1,1 tu. Kwa maneno mengine, utando ulihifadhi kwa kiwango kikubwa molekuli za rangi za kikaboni huku ukiruhusu ioni ndogo za chumvi kupita.

Hata katika hali ya chumvi nyingi yenye 30 g/L NaCl, uzuiaji wa Congo red uliendelea kuwa zaidi ya %98. Katika jaribio la diafiltration lililotumia maji taka ya nguo yaliyoigwa, mkusanyiko wa chumvi ulipunguzwa huku upotevu wa rangi ukidumishwa katika kiwango cha chini. Watafiti pia waliripoti kwamba hawakuona mabadiliko dhahiri katika upenyezaji na uzuiaji wakati wa uchujaji endelevu wa saa 48, na hawakugundua kuvuja kwa TACA au MPD katika hali zilizochunguzwa.

Hata hivyo, utafiti haukufanywa kwa maji taka mchanganyiko yaliyochukuliwa kutoka kiwanda halisi cha nguo. Majaribio makuu ya utenganishaji yalifanywa kwa miyeyusho ya rangi na chumvi iliyoandaliwa maabara. Kwa hiyo, ingawa teknolojia inaonekana kuwa na matumaini, utendaji wake wa muda mrefu katika maji taka halisi, upanuzi wa uzalishaji wa utando hadi kiwango kikubwa, usimamizi wa viyeyusho, maisha ya utando na uchumi wa kituo halisi lazima uthibitishwe kando.

Kwa nini maji taka ya kikaboni yenye chumvi nyingi ni magumu kutibiwa?

Katika michakato kama upakaji rangi wa nguo, maji taka hayana rangi ya kikaboni pekee. Pia yanaweza kuwa na NaCl, Na₂SO₄ au ioni nyingine zisizo za kikaboni katika viwango vya juu. Kutibu mchanganyiko kama huo kwa utando wa kawaida wa nanofiltration wenye msongamano mkubwa kunaweza kusababisha kushikiliwa kwa molekuli kubwa za rangi pamoja na ioni ndogo za chumvi.

Kwa mtazamo wa kwanza, uzuiaji mkubwa wa chumvi unaweza kuonekana kuwa matokeo mazuri. Lakini ikiwa lengo ni kutenganisha rangi na chumvi, hali hii inaweza kuwa hasara. Chumvi inapojikusanya upande wa kulisha wa utando, shinikizo la kiosmotiki huongezeka; usafirishaji wa maji kupitia utando huwa mgumu na mchakato unaweza kuhitaji shinikizo la juu zaidi au maji mengi zaidi ya diafiltration.

Lengo la utando katika utafiti huu si “kuondoa chumvi” kwa maana ya kawaida. Kinyume chake, lengo ni kushikilia molekuli kubwa za kikaboni huku ukiruhusu ioni ndogo za chumvi zipite. Tofauti hii ni muhimu sana kwa kuelewa utafiti: uzuiaji mdogo wa NaCl hapa si kupungua kwa utendaji, bali ni sehemu ya kazi ya utenganishaji iliyobuniwa.

Makrosiklo ni nini?

Molekuli za makrosiklo ni miundo yenye umbo la pete na mapengo yaliyofafanuliwa yanayopita ndani ya molekuli. TACA iliyotumiwa katika utafiti huu inategemea muundo wa calix[4]arene wenye vikundi vinne vya aldehyde.

Tofauti na monoma tambarare za kawaida, molekuli ya TACA ina jiometri ya pande tatu, ya umbo la koni na yenye ugumu. Chanzo kinaeleza kwamba uwazi wake mpana wa juu ni takribani 10,94 Å na uwazi mwembamba wa chini ni takribani 3,45 Å.

Pengo la asili linalopita ndani ya muundo wa umbo la calix linaweza kuchangia kuundwa kwa njia za usafirishaji wa molekuli zilizounganishwa ndani ya utando baada ya upolimishaji. Vikundi vya hidroksili kwenye ukingo wa chini wa TACA hutoa maeneo ya hidrofili yanayoweza kuunda vifungo vya hidrojeni na molekuli za maji.

Kwa nini TACA iliunganishwa na MPD?

TACA ina vikundi vinne vya aldehyde. MPD ni diamine yenye vikundi viwili vya amine. Vikundi vya aldehyde na amine vinaweza kuungana kupitia mmenyuko unaojulikana kama kondensheni ya msingi wa Schiff na kuunda vifungo vya imine.

Watafiti wanaeleza kwamba vikundi vya aldehyde vya TACA huingia katika mmenyuko unaodhibitika zaidi kuliko acyl chlorides zenye reactivity kubwa zinazotumiwa katika upolimishaji wa kawaida wa kiolesura. Reactivity hii tulivu zaidi inalenga kuunda mtandao wa polima uliolegea zaidi lakini endelevu na teule, badala ya tabaka lenye msongamano mkubwa sana na ujazo huru mdogo sana.

Mtandao wa TACA–MPD unaotokea hauundwi tu na mapengo ya nasibu kati ya minyororo ya polima. Mapengo ya ndani ya molekuli ya TACA yenyewe pia huwa sehemu ya usanifu wa vinyweleo vya utando.

Kwa nini mbinu ya UDIP ni muhimu?

Katika upolimishaji wa kawaida wa kiolesura, monoma mbili zinaweza kuingia katika mmenyuko kwa kasi sana kwenye mpaka ambapo awamu ya kikaboni na awamu ya maji zinagusana moja kwa moja. Mmenyuko ukiwa wa haraka kupita kiasi, huwa vigumu kudhibiti kwa usahihi usafirishaji wa monoma na tabaka teule zenye msongamano mkubwa sana au zisizo sawa zinaweza kuundwa.

Katika utafiti huu, watafiti waliweka kiunzi cha haidrojeli ya Kevlar kati ya awamu hizo mbili. TACA ilibaki zaidi upande wa awamu ya kikaboni kutokana na tabia yake ya hidrofobiki na ukubwa mkubwa wa molekuli, ilhali MPD ilisambaa kwa namna inayodhibitiwa kutoka upande wa maji kupitia haidrojeli kuelekea kiolesura.

Usambaaji huu ulioelekezwa uliitwa UDIP. Haidrojeli pia ilifanya kazi kama hifadhi ya monoma ya awamu ya maji na kama “reakta ya kiolesura” yenye uthabiti zaidi kwa ajili ya upolimishaji.

Utando ulitengenezwa vipi?

Katika kuandaa kiunzi cha haidrojeli ya Kevlar, 1,2 g za nyuzi za Kevlar, 1,2 g KOH, 1,2 mL maji na 60 mL DMSO vilichanganywa kwa saa 24 katika halijoto ya kawaida. Mchanganyiko uliopatikana ulizungushwa kwa centrifuge ili kuondoa viputo vya hewa na mashapo, ukapakwa kwa unene wa 250 µm juu ya kitambaa kisichofumwa, kisha haidrojeli ikaundwa kwa inversion ya awamu katika bafu la maji yaliyodeionishwa la 26 °C.

Kwa utando wa TACA–MPD, haidrojeli iliwekwa kati ya vyumba viwili vya seli ya usambaaji. Awamu ya maji yenye MPD iliwekwa upande mmoja na awamu ya dichloromethane yenye TACA upande mwingine.

Watafiti walitengeneza utando tofauti kwa kubadilisha mkusanyiko wa TACA kati ya 0,4–0,7 mM, mkusanyiko wa MPD kati ya 0,25–1,0 mM na muda wa mmenyuko kati ya saa 1–7.

Kwa kuzingatia uwiano kati ya upenyezaji wa maji na uzuiaji wa rangi, 0,5 mM TACA, 0,5 mM MPD na hali ya mmenyuko ya saa 3 ilichaguliwa kuwa bora. Utando huu uliitwa TACA_0.5MPD_0.5-3.

Je, upolimishaji wa muda mrefu zaidi ni bora kila wakati?

Hapana. Utafiti unaonyesha wazi uwiano wa kawaida wa upenyezaji–uteuzi katika usanifu wa utando. Muda wa mmenyuko unapoongezeka na mkusanyiko wa monoma unapoongezeka, tabaka teule huwa nene zaidi na lenye kiwango kikubwa zaidi cha uunganishaji mtambuka.

Matokeo yake ni kwamba uzuiaji wa rangi huongezeka huku upenyezaji wa maji ukipungua. Katika viwango vya juu kupita kiasi vya TACA, upolimishaji unaweza kuwa mkali sana na kusababisha mikunjo na nyufa kwenye uso.

Kwa hiyo, utando bora si ule wenye tabaka lenye msongamano mkubwa zaidi unaowezekana; ni mtandao unaodhibitiwa unaotoa uzuiaji wa kutosha wa rangi huku ukiweka upinzani mdogo kwa usafirishaji wa maji na chumvi.

Nanofilamu ni nyembamba kiasi gani?

Nanofilamu ya TACA_0.5MPD_0.5-3 iliyoundwa kwenye kiolesura huru cha maji–awamu ya kikaboni ilikuwa na unene wa takribani 12 nm ulipopimwa kwa AFM. Iliripotiwa kwamba unene wa filamu huru unaweza kudhibitiwa katika takribani 8–22 nm kwa kubadilisha muda wa mmenyuko.

Muundo wa kompoziti wa tabaka jembamba ulioundwa kwa UDIP juu ya haidrojeli ya Kevlar ulionyesha unene wa tabaka teule wa takribani 90 ± 5 nm. Kubadilishwa kwa tabia ya self-assembly ya TACA na usambaaji wa MPD na mazingira ya haidrojeli kulihusishwa na kuundwa kwa tabaka nene zaidi lakini linalodhibitiwa.

Vinyweleo vya utando vina ukubwa gani?

Katika uainishaji uliotumia molekuli za polyethilini glikoli, kwa utando wa TACA_0.5MPD_0.5-3 thamani ya molecular weight cut-off ilikadiriwa kuwa takribani 11.480 g/mol na kipenyo cha wastani cha vinyweleo takribani 3,4 nm.

Thamani hizi zinaonyesha kwamba utando una muundo uliolegea zaidi kuliko nanofiltration ya kawaida yenye msongamano mkubwa sana. Molekuli kubwa za rangi na makundi yanayoweza kuundwa ndani ya maji hushikiliwa, ilhali ioni ndogo za chumvi zilizo na ganda la maji zinaweza kupita kupitia mtandao huu ulio wazi zaidi.

Rangi huzuiwa kwa mifumo gani?

Chanzo hakielezi uzuiaji wa rangi kwa mfumo mmoja pekee. Athari tatu zinaonekana kwa pamoja:

• Uchujaji kwa ukubwa: Molekuli kubwa za rangi na makundi ya rangi hupata ugumu kupita kwenye vinyweleo vya utando.
• Msukumo wa kielektrostatiki: Utando wa TACA–MPD una chaji hasi ya uso katika wigo mpana wa pH. Rangi zenye chaji hasi husukumwa na mapengo ya TACA yenye elektroni nyingi na uso wa utando.
• Ukusanyikaji wa rangi: Molekuli za rangi za aromatiki zinaweza kuunda makundi makubwa zaidi kupitia mwingiliano wa hidrofobiki na π–π; hali hii hupunguza zaidi usambaaji wake ndani ya utando.

Mchanganyiko wa mifumo hii husaidia kueleza jinsi utando ambao vinyweleo vyake viko wazi vya kutosha kuruhusu ioni za chumvi kupita unavyoweza wakati huohuo kushikilia molekuli za rangi kwa kiwango cha juu.

Kwa nini maji yanaweza kusafirishwa kwa kasi hivi?

Usanifu wa molekuli wa TACA unafasiriwa kuwa unaweza kuunda njia mbili tofauti za maji. Njia ya kwanza ni maeneo ya hidrofili yanayohusishwa na vikundi vya hidroksili na imine vilivyo nje ya molekuli. Njia ya pili ni tundu la ndani la TACA lenye tabia ya hidrofobiki.

Kwa mtazamo wa kwanza, inaonekana kuwa kinzani kwamba njia ya hidrofobiki iwe na faida kwa maji. Kulingana na uundaji wa modeli za molekuli, kwa kuwa maji huingiliana kwa udhaifu tu na ukuta wa hidrofobiki, msuguano ndani ya njia unaweza kuwa mdogo. Vikundi vya hidroksili kwenye ukingo wa chini wa TACA vinaweza kuunda maeneo yanayovuta maji kuelekea mlango wa kutoka wa tundu kupitia vifungo vya hidrojeni.

Mahesabu ya DFT yalionyesha kwamba usafirishaji wa maji kupitia tundu hili la ndani unawezekana kwa upande wa nishati; uwezo uliokokotolewa wa mwingiliano kati ya maji na kitengo cha kimuundo ulitofautiana kati ya takribani −0,024 na −0,562 eV.

Hata hivyo, waandishi wanaeleza wazi kwamba utafiti huu haukubaini kwa kiasi gani njia za hidrofili na hidrofobiki huchangia usafirishaji wote wa maji, na kwamba hili ni jambo la kimfumo linalohitaji kuchunguzwa baadaye.

Simuleringi za mienendo ya molekuli zilionyesha nini?

Katika simuleringi za mienendo ya molekuli zilizotumia modeli halisi za mtandao wa TACA–MPD, mgawanyo wa mapengo yaliyounganishwa na yasiyounganishwa ulichunguzwa. Ilionekana kwamba muundo wa mtandao una ujazo huru uliounganishwa unaofaa kwa usafirishaji wa molekuli ndogo na ioni.

Katika simuleringi ambapo molekuli za Congo red na Methyl blue ziliwekwa pamoja na Na⁺, Cl⁻, na SO₄²⁻ ioni, ilionekana kwamba molekuli za rangi zilishikiliwa kwenye uso wa utando huku ioni za chumvi zikiweza kufika upande wa pili wa utando ndani ya 50 ns.

Mahesabu haya yanaunga mkono maelezo ya kifizikia katika kiwango cha molekuli ya matokeo ya uzuiaji wa majaribio; hata hivyo, matokeo ya simuleringi hayawakilishi ugumu wote wa maji taka halisi ya viwandani.

Ni matokeo gani muhimu zaidi ya utendaji?

Kwa utando wa TACA_0.5MPD_0.5-3, upenyezaji wa maji wa 63,8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹ uliripotiwa.

Thamani za uzuiaji katika miyeyusho ya kichafuzi kimoja ya 100 ppm zilikuwa kama ifuatavyo:

Tofauti kubwa inaeleza mafanikio makuu ya utafiti. Utando hushikilia molekuli nyingi kubwa za rangi kwa takribani %99 huku ukiruhusu karibu NaCl yote kupita.

Nini kilitokea wakati kulikuwa na 30 g/L ya chumvi?

Utando ulijaribiwa katika mchanganyiko wa Congo red na NaCl kwa viwango vya NaCl vinavyobadilika kati ya 1–30 g/L.

Kadiri mkusanyiko wa chumvi ulivyoongezeka, uzuiaji wa NaCl ulipungua kutoka %12,1 hadi %0,5. Kwa upande mwingine, uzuiaji wa Congo red uliendelea kuwa zaidi ya %98 katika wigo wote na mabadiliko yalikuwa chini ya nukta moja ya asilimia.

Matokeo haya ni muhimu kwa sababu nguvu kubwa ya ioni inaweza kufunika chaji ya uso wa utando na kubadilisha tabia ya molekuli za rangi. Licha ya hilo, utenganishaji kati ya molekuli kubwa ya kikaboni na ioni ndogo ya chumvi ulihifadhiwa kwa kiwango kikubwa.

Jaribio la diafiltration lilifanywaje?

Badala ya maji taka halisi ya kiwanda, watafiti waliandaa maji taka ya nguo yaliyoigwa yenye 200 ppm Congo red na 30 g/L NaCl, kwa ujazo wa 500 mL.

Utando uliendeshwa chini ya shinikizo la 2 bar. Kiasi cha malisho kilipopungua hadi 250 mL, 250 mL nyingine ya maji yaliyodeionishwa iliongezwa kwenye mfumo. Mzunguko huu wa upunguzaji wa mkusanyiko na uchujaji ulirudiwa hadi mkusanyiko wa NaCl kwenye malisho uliposhuka chini ya 0,5 g/L.

Katika diafiltration yote, uzuiaji wa Congo red ulihifadhiwa katika takribani %98. Hivyo, chumvi ilihamia upande wa permeate huku rangi ikikolezwa upande wa malisho.

Ulinganisho wa maji na nishati ulionyesha nini?

Kwa mujibu wa chanzo, ili kupunguza mkusanyiko wa NaCl hadi chini ya 0,5 g/L, jumla ya 1750 mL ya maji ya ziada ilitumika katika mfumo wa TACA–MPD.

Katika ulinganisho wa Supplementary Table 4 wa utafiti, matumizi ya nishati kwa diafiltration ya TACA–MPD yalitolewa kuwa 131 kWh/m³, huku kwa utando wa kibiashara wa NF270 yakiwa 228 kWh/m³.

Thamani hizi hazipaswi kufasiriwa kama ulinganisho wa jumla wa matumizi ya nishati viwandani. Zinahusu hali maalum ya diafiltration ya maabara na mfumo wa hesabu uliotumiwa katika utafiti. Hakuna uchanganuzi kamili wa nishati wa mzunguko wa maisha uliofanywa kwa pampu za kituo halisi, matibabu ya awali, usafishaji, uzalishaji wa viyeyusho, utengenezaji wa utando na vifaa saidizi.

Uendeshaji wa saa 48 ulionyesha nini?

Uthabiti wa uchujaji endelevu wa utando ulijaribiwa katika mchanganyiko wenye 100 ppm Congo red na 1 g/L NaCl, chini ya 2 bar kwa saa 48.

Katika kipindi hiki, hakuna mabadiliko ya maana yaliyoripotiwa katika upenyezaji na thamani za uzuiaji. Picha za SEM baada ya jaribio zilionyesha mrundikano mdogo wa rangi, huku spectra za FTIR kabla na baada ya mchakato zikiripotiwa kufanana kwa kiasi kikubwa.

Matokeo haya yanaunga mkono uthabiti wa kimuundo wa muda mfupi hadi wa kati katika hali za maabara. Hata hivyo, jaribio la saa 48 haliwezi kuchukua nafasi ya uthibitisho wa maisha ya utando wa viwandani unaofanya kazi kwa miezi au miaka.

Je, TACA au MPD ilivuja kutoka kwenye utando?

Watafiti walitathmini uwezekano wa kuvuja kwa monoma kwa kutumia spektroskopi ya UV–Vis katika hali za kuhifadhi kwa muda mrefu bila mtiririko na pia katika uchujaji wenye mtiririko.

Iliripotiwa kwamba hakuna kuvuja kwa TACA au MPD kulikogunduliwa ndani ya mipaka ya ugunduzi ya majaribio. Matokeo haya yanaunga mkono uadilifu wa kikemia wa mtandao wa polyimine uliotengenezwa katika hali za maabara zilizochunguzwa.

Hata hivyo, kauli “hakukugunduliwa” haimaanishi kwamba kuvuja kulikuwa sifuri kabisa katika kila mkusanyiko; ina maana kwamba hakuna kuvuja kinachoweza kupimika kilichoonekana ndani ya mipaka ya ugunduzi ya mbinu ya uchambuzi na muda wa jaribio.

Nguvu za utafiti

• Usanifu mpya wa utando wa makrosiklo ulitengenezwa kwa majaribio.
• Utaratibu wa utengenezaji ulichunguzwa kwa SEM, TEM, AFM, FTIR, XPS na mbinu nyingine za uainishaji.
• Mkusanyiko wa monoma na muda wa mmenyuko vilibadilishwa kwa utaratibu.
• Uwiano wa utendaji kati ya upenyezaji wa maji na uzuiaji wa rangi ulitathminiwa.
• Rangi kadhaa na aina mbili tofauti za chumvi zilijaribiwa.
• Athari ya chumvi nyingi ilichunguzwa katika wigo wa 1–30 g/L NaCl.
• Diafiltration ilitumika katika maji taka ya nguo yaliyoigwa yenye chumvi nyingi.
• Uendeshaji endelevu wa saa 48 na kuvuja kwa monoma vilijaribiwa.
• DFT na simuleringi za mienendo ya molekuli zilitumika kuunganisha matokeo ya majaribio na utaratibu wa molekuli.

Mambo ambayo utafiti haukuthibitisha

• Utendaji huohuo haujaonyeshwa katika maji taka halisi ya kiwanda cha nguo.
• Athari za muda mrefu za visaidizi vya uso, mafuta, metali nzito, yabisi zilizosimamishwa na mchanganyiko wa vitu vya kikaboni katika maji taka hazijathibitishwa.
• Jaribio la saa 48 halionyeshi maisha ya utando ya miezi mingi au miaka mingi.
• Hakuna moduli ya utando ya kiwango cha majaribio au kiwango kamili iliyoendeshwa.
• Gharama ya kuzalisha TACA katika kiwango cha kilogramu au tani haijatathminiwa.
• Urejeshaji wa viyeyusho kwa kiwango kikubwa kwa dichloromethane na kemikali nyingine za uzalishaji pamoja na mzigo wake kwa mazingira haujachanganuliwa.
• Hakuna uchanganuzi kamili wa kiufundi-kiuchumi au tathmini ya mzunguko wa maisha iliyofanywa.
• Mchango wa kiasi wa mapengo ya makrosiklo katika usafirishaji wote wa maji bado haujabainishwa kikamilifu.
• Utando haujathibitishwa katika aina zote za maji taka ya kikaboni yenye chumvi nyingi.

Hii ina maana gani kwa Uturuki?

Nchini Uturuki, usimamizi wa maji taka yenye rangi na chumvi kutoka katika michakato ya kupaka rangi na kumalizia nguo ni tatizo muhimu la kihandisi. Wazo kuu la utafiti huu ni kutumia utando unaoweza kutenganisha kwa uteuzi rangi na chumvi badala ya kuzikoleza pamoja.

Utenganishaji huo, kwa nadharia, unaweza kusaidia kusimamia kando mkusanyiko wa rangi, kurejesha chumvi au maji ya mchakato katika hali fulani, na kupunguza mzigo katika baadhi ya hatua za mifumo ya kutokuwa na utiririshaji wa kioevu.

Hata hivyo, maji taka halisi ya nguo nchini Uturuki yanaweza kuwa na, pamoja na conductivity kubwa, ioni za ugumu, kemikali saidizi, visaidizi vya uso, mchanganyiko tofauti wa rangi, COD na yabisi zilizosimamishwa. Kwa hiyo, teknolojia haiwezi kutathminiwa moja kwa moja kama suluhisho la viwandani bila kuthibitishwa kwa kiwango cha majaribio kwa kutumia maji taka halisi ya eneo husika.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Utando ulioboreshwa

Jaribio la utendaji wa utando

Majaribio ya uchujaji yalifanywa katika mfumo wa mtiririko wa msalaba wenye eneo tendaji la 7,1 cm². Utando kwanza ulibanwa chini ya maji yaliyodeionishwa kwa shinikizo la 2 bar kwa dakika 30 ili kufikia hali thabiti. Majaribio ya utendaji wa kijenzi kimoja baadaye yalifanywa chini ya 1 bar.

Upenyezaji wa maji ulikokotolewa kwa mlinganyo ufuatao:

\[ P=\frac{V}{A\times\Delta t\times\Delta P} \]

Hapa \(V\) ni ujazo wa permeate, \(A\) ni eneo tendaji la utando, \(\Delta t\) ni muda wa uendeshaji na \(\Delta P\) ni tofauti ya shinikizo kuvuka utando.

Uzuiaji wa kijenzi na utando ulikokotolewa kama ifuatavyo:

\[ R=1-\frac{C_P}{C_F} \]

kwa uhusiano huu. \(C_P\) inawakilisha mkusanyiko katika permeate na \(C_F\) mkusanyiko katika malisho.

Jaribio la chumvi nyingi

Hali za diafiltration

Ulinganisho wa nishati

Ulinganisho huu unahusu tu hali ya diafiltration iliyofafanuliwa na utafiti; si uchanganuzi kamili wa nishati au mzunguko wa maisha wa kiuchumi katika kiwango cha kituo.

Jaribio la uthabiti

Mchanganyiko wenye 100 ppm Congo red na 1 g/L NaCl ulichujwa chini ya shinikizo la 2 bar kwa saa 48. Chanzo kinaripoti mabadiliko yasiyo na maana katika upenyezaji na utendaji wa uzuiaji katika kipindi hiki.

Uchambuzi wa SEM ulionyesha mrundikano mdogo wa rangi kwenye uso wa utando, huku uchambuzi wa FTIR ukionyesha kwamba muundo wa kikemia ulihifadhiwa kwa kiasi kikubwa kabla na baada ya mchakato.

Matokeo makuu ya uundaji wa modeli za molekuli

Mahesabu ya DFT na MD yanaunga mkono kwamba mapengo ya ndani ya TACA yanaweza kuchangia usafirishaji wa maji na kwamba ujazo huru uliounganishwa huunda njia zenye upinzani mdogo kwa maji na ioni za chumvi.

Katika simuleringi za mienendo ya molekuli za 50 ns, wakati Congo red na Methyl blue zilizuiwa kwa kiwango kikubwa na utando, Na⁺, Cl⁻, na SO₄²⁻ ioni zilisafirishwa kupitia mtandao wa utando hadi sehemu ya upande mwingine.

Utaratibu mkuu unaoonyeshwa pamoja na matokeo ya majaribio na hesabu ni huu: maji na ioni ndogo zinaweza kupita kupitia mapengo ya makrosiklo na ujazo huru katika mtandao uliounganishwa kwa kuvukana, huku molekuli kubwa za rangi zikizuiwa kutokana na ukubwa, agregation na athari za kielektrostatiki.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la awali la utafiti: Macrocycle-assembled membranes for high-salinity organic wastewater treatment

Waandishi: Yizhuo Li; Yanghua Duan; Jingsi Yuan; Lei Ge; Xiang Zhang; Jingwei Hou; Yatao Zhang; Bart Van der Bruggen; Junyong Zhu; Menachem Elimelech.

Waandishi wenye mchango sawa: Yizhuo Li na Yanghua Duan.

Waandishi wanaowajibika: Yatao Zhang, Junyong Zhu na Menachem Elimelech.

Taasisi: Zhengzhou University, China; Rice University, Marekani; The University of Queensland, Australia; KU Leuven, Ubelgiji.

Jarida: Nature Communications.

Mchapishaji: Springer Nature.

Juzuu / nambari ya makala: 17, Article 1731.

DOI: 10.1038/s41467-026-68430-3.

Kiungo rasmi:https://doi.org/10.1038/s41467-026-68430-3

Tarehe ya kupokelewa: 27 Juni 2025.

Tarehe ya kukubaliwa: 7 Januari 2026.

Tarehe rasmi ya kuchapishwa: 17 Januari 2026.

Tarehe ya Version of Record: 17 Februari 2026.

Hali ya chanzo na mapitio ya kitaalamu: PDF iliyopakiwa ni toleo la “Article in Press” na la ufikiaji wa mapema kabla ya uhariri wa mwisho lililochapishwa na Nature Communications. Wakati wa uthibitishaji wa kibiblia, ilithibitishwa kwamba toleo la mwisho la Version of Record lenye DOI hiyo hiyo limechapishwa. Utafiti umepitia mapitio ya kitaalamu na faili ya mapitio inapatikana kwenye ukurasa rasmi wa uchapishaji.

Leseni: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).

Ufadhili: Katika chanzo kilichopakiwa, utafiti umehusishwa na ufadhili namba 92475120 chini ya National Natural Science Foundation of China Major Research Plan na ufadhili namba 252300421182 chini ya Henan Scientific Committee Outstanding Youth Fund.

Upatikanaji wa data: Waandishi wamesema kuwa data inayounga mkono matokeo ya utafiti inapatikana katika makala na mafaili ya taarifa za ziada, au inaweza kuombwa kutoka kwa waandishi wanaowajibika.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hawana maslahi yanayoshindana.

Michango ya waandishi: Junyong Zhu aliendeleza wazo la utafiti na kubuni majaribio. Yizhuo Li na Jingsi Yuan walifanya usanisi wa nyenzo, uainishaji na majaribio ya utendaji. Yizhuo Li, Yanghua Duan, Lei Ge, Xiang Zhang, Yatao Zhang na Jingwei Hou walichangia uchambuzi wa data. Yizhuo Li, Yanghua Duan, Bart Van der Bruggen, Junyong Zhu na Menachem Elimelech walichangia uandishi wa makala.

Wigo wa maudhui ya kisayansi: Matokeo ya majaribio, thamani za namba za utendaji, maelezo ya mbinu na tafsiri za kimfumo katika makala hii ya Verianla zinategemea toleo la chanzo la kurasa 32 lililopakiwa. Uthibitishaji wa nje ulitumika si kubadilisha matokeo ya kisayansi, bali kuthibitisha hali ya sasa ya kibiblia ya uchapishaji wa makala.

Kikomo kikuu cha kimetodolojia: Majaribio ya utenganishaji wa rangi/chumvi na diafiltration yalifanywa kwa miyeyusho iliyoandaliwa katika kiwango cha maabara na maji taka ya nguo yaliyoigwa. Hakukuwa na maji taka halisi ya viwandani, moduli ya muda mrefu ya utando ya kiwango cha majaribio, upanuzi wa uzalishaji au uchanganuzi kamili wa kiufundi-kiuchumi/mzunguko wa maisha.

Kikomo cha uthabiti: Jaribio la uchujaji endelevu linaloelezwa katika chanzo kama “long-term” ni la saa 48. Matokeo haya yanaunga mkono uthabiti katika kiwango cha maabara lakini hayathibitishi maisha ya utando wa kibiashara.

Kikomo cha utaratibu: Utafiti unatoa matokeo ya DFT/MD yanayounga mkono njia mbili za usafirishaji wa maji kupitia njia za uso za hidrofili na mapengo ya ndani ya TACA yenye hidrofobiki. Hata hivyo, waandishi wanaeleza wazi kwamba michango tofauti ya kiasi ya njia hizi katika usafirishaji wote wa maji iko nje ya wigo wa utafiti huu.