Ултрафилтратсияи бо мицелла дастгиришаванда (Micellar-Enhanced Ultrafiltration, MEUF) усули ҷудокунии мембранавӣ мебошад, ки ҳадафаш пайвастани ионҳои хурди маҳлул ба сохторҳои калонтарини мицеллавии ҳосилкардаи моддаи сатҳфаъол ва нигоҳ доштани онҳо дар мембранаи ултрафилтратсия аст. Дар ин таҳқиқот натрий додесилсулфат (SDS) якҷоя бо мембранаи полиэтерсулфонии (PES) 30 kDa истифода шуда, хориҷкунии кадмий аз оби дорои Cd²⁺, ки дар лаборатория омода шудааст, омӯхта шудааст. Дар маҳлули тозаи SDS консентратсияи критикии мицелла 8.14 mmol L⁻¹ муайян гардида, дар шароити 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ ва 1 CMC SDS хориҷкунӣ ба %99.44 ± 0.68 расидааст. Аммо азбаски таҳқиқот бо оби партови воқеии саноатӣ гузаронида нашудааст, натиҷаҳо набояд бевосита ҳамчун самаранокии саҳроӣ тафсир шаванд.
Озмоишҳо на танҳо фоизи умумии хориҷкуниро, балки таъсири миқдори SDS ба ҷараёни мембрана, саҳми тағйири pH ба хориҷкунӣ, консентратсияҳои гуногуни Cd²⁺, таъсири рақобатии электролити NaNO₃ дар маҳлул ва рафтори мембрана дар кори пайвастаи 40-соатаро якҷоя арзёбӣ кардаанд. Дар фосилаи pH 3–9 хориҷкунии Cd²⁺ аз %98 боло боқӣ мондааст, аммо зиёд шудани консентратсияи электролит боиси коҳиши намоёни самаранокии хориҷкунӣ шудааст.
Сатҳи мембрана ҳамчунин бо FTIR, SEM ва EDS таҳқиқ шудааст. Дар гурӯҳҳои функсионалии кимиёвӣ тағйири калон мушоҳида нашудааст; ҳарчанд пас аз 40 соат дар сатҳ қабати тунук ва нопайваста дида шуд, коҳиши ҷараён муайян нагардид ва баъди тозакунӣ зиёда аз %95 ҷараёни оби соф барқарор шуд. Ин натиҷаҳо бештар ба ҷамъшавии маҳдуд ва асосан баргардонидашавандаи сатҳӣ ишора мекунанд, на ба ифлосшавии шадид ва барнагардондашаванда.
Мушкилоти таҳқиқот
Cd²⁺ аз сабаби устуворӣ дар об ва қобилияти ҷамъшавӣ дар системаҳои биологӣ яке аз ифлоскунандаҳои муҳими металлҳои вазнин дар тозакунии оби партов мебошад. Азбаски ионҳои ҳалшудаи металл бо андозаи молекулавии хурд метавонанд мустақиман аз сӯрохиҳои мембранаҳои классикии ултрафилтратсия гузаранд, ҷудокуние, ки танҳо ба андозаи сӯрохи мембрана такя мекунад, аксаран кофӣ нест. Ғояи асосии MEUF ин аст, ки иони металлӣ ба сохтори физикии калонтарини моддаи сатҳфаъол пайваст карда шуда, комплексе ҳосил шавад, ки мембрана онро нигоҳ дошта тавонад.
Ултрафилтратсияи Бо Мицелла Дастгиришаванда Чӣ Гуна Кор Мекунад?
Дар ултрафилтратсияи бо мицелла дастгиришаванда молекулаҳои ионии моддаи сатҳфаъол ҳангоми расидан ба консентратсияи кофӣ мицеллаҳо ташкил медиҳанд; гурӯҳҳои сарии манфизаряди моддаи сатҳфаъоли анионӣ, аз қабили SDS, метавонанд бо ионҳои мусбати металлӣ, мисли Cd²⁺, робита кунанд ва ба ин тартиб ба ҷойи гузаштани металл дар шакли иони озод аз сӯрохиҳои мембрана, он ҳамчун сохтори калонтарини моддаи сатҳфаъол–металл дар тарафи ретентат нигоҳ дошта шавад.
Молекулаи SDS думи дорои хусусияти карбогидридӣ ва гурӯҳи сарии сулфати манфизаряд дорад. Вақте консентратсияи SDS ба консентратсияи критикии мицелла наздик мешавад ё аз ин ҳад мегузарад, молекулаҳои моддаи сатҳфаъол ба ҷамъшавӣ оғоз мекунанд. Дар таҳқиқот тағйири нишебии каҷи ноқилият–консентратсия истифода шуда, дар муҳити SDS-и тоза қимати CMC 8.14 mmol L⁻¹ муайян шудааст.
Ионҳои металлӣ ва дигар электролитҳои маҳлул метавонанд таъсирҳои мутақобилаи электростатикиро тағйир дода, рафтори воқеии мицеллашавиро аз маҳлули тозаи SDS фарқ кунанд. Дар таҳқиқот ҳатто дар 0.5 CMC хориҷкунии %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ мушоҳида шуд; муаллифон инро бо имкони паст шудани CMC аз ҷониби ионҳои металлӣ, поляризатсияи консентратсионӣ назди мембрана ва ҷамъшавии SDS дар сатҳи мембрана шарҳ медиҳанд. Ин механизм тафсири таҳқиқоти манбаъ аст ва бо як озмоиши мустақими ягонаи механизми молекулавӣ ҷудо карда нашудааст.
Системаи озмоишӣ
| Параметр | Қимат / хусусият |
|---|---|
| Мембрана | Плитаи ҳамвори полиэтерсулфон (PES) |
| MWCO | 30 kDa |
| Масоҳати фаъоли мембрана | 0.004209 m² |
| Фишори трансмембранавӣ | Тақрибан 413.68 kPa (60 psi) |
| Ҷараёни ғизодиҳӣ | 1.6 GPM |
| Ҳарорати корӣ | Тақрибан 25 °C |
| Моддаи сатҳфаъол | Натрий додесилсулфат (SDS), тозагӣ %99 |
| Манбаи кадмий | Cd(NO₃)₂·4H₂O, тозагӣ %99 |
| Таҳлили Cd²⁺ | Agilent 3510 Atomic Absorption Spectrometry |
| Шумораи такрор | Озмоишҳо дар ду такрор гузаронида шуданд |
Мембранаи нав пеш аз озмоиш панҷ дақиқа дар оби деионизатсияшуда нигоҳ дошта шуда, сипас тавассути система оби соф гузаронида шуд, то ҷараёни мембрана устувор гардад. Дар ҳар як озмоиши стандартӣ массаи пермеат ҳар дақиқа сабт гардида, тақрибан чор соат маълумоти устувор ҷамъоварӣ шуд. Пас аз озмоиш мембрана бо 30 дақиқа оби деионизатсияшуда, 30 дақиқа 0.1 mol L⁻¹ NaOH ва боз 30 дақиқа оби деионизатсияшуда тоза карда шуд.
Самаранокии хориҷкунӣ чӣ гуна ҳисоб карда шуд?
Фоизи хориҷкунии Cd²⁺ дар таҳқиқоти манбаъ бо муодилаи зерин ҳисоб шудааст:
\[ R(\%)=\left[1-\left(\frac{C_p}{C_f}\right)\right]\times100 \]
Дар ин ҷо \(C_p\) консентратсияи Cd²⁺ дар пермеат ва \(C_f\) консентратсияи Cd²⁺ дар маҳлули ғизодиҳиро ифода мекунад ва ҳар ду бо воҳиди mg L⁻¹ мебошанд. Ҳар қадар нисбати \(C_p/C_f\) кам шавад, ҳамон қадар маълум мегардад, ки мембрана кадмии ғизоро ба тарафи пермеат намегузаронад; бинобар ин қимати \(R\) ба %100 наздик мешавад.
Ҷараёни мембрана бошад:
\[ J=\frac{V}{tA} \]
бо ин муодила муайян шудааст. \(J\) ҷараёни пермеат бо воҳиди L m⁻² h⁻¹; \(V\) ҳаҷми пермеат; \(t\) вақти раванд ва \(A\) масоҳати фаъоли мембранаро нишон медиҳад. Ҷараён нишон медиҳад, ки аз як воҳиди масоҳати мембрана дар як воҳиди вақт чӣ қадар моеъ мегузарад. Хориҷкунии баланд ва ҷараёни баланд як чиз нестанд; зиёд кардани миқдори моддаи сатҳфаъол метавонад хориҷкунии Cd²⁺-ро зиёд, вале ҷараёнро кам кунад.
Чаро 1 CMC SDS Ҳамчун Шарти Оптималӣ Интихоб Шуд?
Дар таҳқиқот 1 CMC SDS ҳамчун шарти амалии оптималӣ интихоб шуд, зеро хориҷкунии Cd²⁺ ба %99.44 ± 0.68 расид ва ҳангоми зиёд кардан то 1.5 CMC дар хориҷкунӣ танҳо фоидаи маҳдуди иловагӣ ба даст омад, дар ҳоле ки ҷараёни пермеат боз ҳам камтар шуд.
Ҷараёни миёна барои оби деионизатсияшуда 234.44 ± 1.43 L m⁻² h⁻¹ буд, дар ҳоле ки дар маҳлули танҳо Cd²⁺-дор ва бе SDS 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹ чен шуд. Пас аз иловаи SDS ҷараёни миёна дар 0.5 CMC ба 170.86 ± 3.04, дар 1 CMC ба 168.29 ± 1.51 ва дар 1.5 CMC ба 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹ коҳиш ёфт.
Баръакс, хориҷкунии Cd²⁺ бе SDS ҳамагӣ %30.88 ± 10.8 буд, аммо дар 0.5 CMC ба %96.77 ± 0.03, дар 1 CMC ба %99.44 ± 0.68 ва дар графики манбаъ барои 1.5 CMC тақрибан ба %99.76 расид. Ин муқоиса нишон медиҳад, ки миқдори бештари моддаи сатҳфаъол ҳамеша фоидаи мутаносиби равандӣ намедиҳад.
Таъсири pH
Ҳангоми истифодаи 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ ва 1 CMC SDS хориҷкунӣ дар pH 3 %98.78 ± 0.28, дар pH 5 %99.23 ± 0.63, дар pH 7 %99.28 ± 0.14 ва дар pH 9 %99.32 ± 0.09 чен шуд. Аз ин рӯ, дар фосилаи санҷидашудаи pH 3–9 самаранокии хориҷкунӣ баланд ва нисбатан устувор монд.
Бо вуҷуди ин, бо баланд шудани pH ҷараён кам шуд: барои pH 3, 5, 7 ва 9 мутаносибан 183.02 ± 1.97, 171.97 ± 1.55, 166.86 ± 1.55 ва 164.56 ± 1.79 L m⁻² h⁻¹ гузориш шудааст. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки ҳатто агар фоизи хориҷкунӣ тақрибан устувор бошад, самаранокии гидродинамикӣ/мембранавӣ яксон намемонад.
Таъсири консентратсияи Cd²⁺
Вақте консентратсияи SDS дар 1 CMC доимӣ нигоҳ дошта шуд, дар ҳамаи консентратсияҳои ғизодиҳии Cd²⁺ дар фосилаи 10–50 mg L⁻¹ хориҷкунӣ аз %99 боло монд. Аммо бо зиёд шудани консентратсияи металл ҷараёни пермеат коҳиш ёфт: барои 10 mg L⁻¹ 178.04 ± 1.76, барои 20 mg L⁻¹ 174.04 ± 1.97, барои 30 mg L⁻¹ 171.36 ± 1.84 ва барои 50 mg L⁻¹ 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹ чен шуд.
Чаро Консентратсияи Электролит Хориҷкунии Cd²⁺-ро Коҳиш Дод?
Иловаи NaNO₃ консентратсияи Na⁺-ро дар маҳлул зиёд кард ва дар натиҷаи рақобати ионҳои Na⁺ бо Cd²⁺ барои ҷойҳои пайвастшавии манфии SDS миқдори Cd²⁺-и озод зиёд шуд; аз ин рӯ, бо баланд шудани консентратсияи NaNO₃ хориҷкунии Cd²⁺ ба таври намоён коҳиш ёфт.
Дар шароити 0.01 mol L⁻¹ NaNO₃ хориҷкунии Cd²⁺ %98.84 ± 0.12 буд, дар 0.03 mol L⁻¹ ба %90.44 ± 0.23 ва дар 0.05 mol L⁻¹ ба %78.12 ± 0.01 коҳиш ёфт. Бо ҳамин тартиб ҷараёни мембрана 164.02 ± 1.67, 155.12 ± 1.65 ва 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹ гузориш шудааст.
Ин натиҷа аз ҷиҳати татбиқ муҳим аст; наметавон фарз кард, ки фоизҳои хеле баланди хориҷкунии Cd²⁺, ки дар лаборатория бо оби деионизатсияшуда гирифта шудаанд, дар обҳои партови воқеии дорои қувваи баланди ионӣ ҳам дар ҳамон сатҳ мемонанд.
Ифлосшавии мембрана ва тавсифи сатҳ
Дар таҳлили FTIR байни мембранаи хом ва мембранаҳои 4 ва 40 соат истифодашуда дар бандҳои асосии PES тағйири намоён дида нашуд. Дар тақрибан 3350 cm⁻¹ кашиши O–H; дар фосилаи 620–867 cm⁻¹ C–H-и ароматӣ; дар 1100–1200 cm⁻¹ сулфон ва дар 1230–1270 cm⁻¹ бандҳои эфир мушоҳида шуданд.
Ин монандӣ дастгирӣ мекунад, ки сохтори асосии кимиёвии мембрана дар ҷараёни раванд ба таври назаррас тағйир наёфтааст. Аммо азбаски FTIR нисбат ба қабатҳои тунуки сатҳӣ ҳассосияти маҳдуд дорад, натиҷа набояд ҳамчун “сатҳи мембрана комилан тоза монд” тафсир шавад.
Дар тасвирҳои SEM пас аз 4 соат ҷамъшавиҳои сабуки пароканда ва дар анҷоми 40 соат ҷамъшавии тунук ва нопайвастаи сатҳӣ дида шуд. Дар ченкуниҳои EDS гузориш шудааст, ки таркиби C, O ва S асосан нигоҳ дошта шуда, ҷамъшавии намоёни Cd муайян нашудааст. Илова бар ин, барқарор шудани зиёда аз %95 ҷараёни оби соф баъди тозакунии стандартӣ нишон медиҳад, ки ҷамъшавӣ ба ифлосшавии шадид ва барнагардондашавандаи мембрана табдил наёфтааст.
Самаранокии 40-соата
Дар шароити 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ ва 1 CMC SDS система 40 соат пайваста кор карда шуд. Ҷараёни мембрана дар тӯли кор коҳиши намоён нишон надод; дар намунаҳои пермеат, ки ҳар панҷ соат гирифта шуданд, хориҷкунии Cd²⁺ пайваста аз %98.5 боло монд. Ин озмоиш нисбат ба санҷишҳои кӯтоҳи 4-соата нишондиҳандаи қавитари устуворӣ медиҳад, аммо мӯҳлати кори чандмоҳаи миқёси саноатиро ифода намекунад.
Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад ва намекунад
Таҳқиқот дастгирӣ мекунад: MEUF-и бо SDS дастгиришаванда дар шароити лаборатории омӯхташуда метавонад хориҷкунии Cd²⁺-ро аз сатҳе, ки мембранаи PES-и ултрафилтратсия танҳо таъмин мекунад, хеле боло барад; дар 1 CMC SDS тақрибан %99.4 хориҷкунӣ ба даст омад. Фосилаи pH 3–9 фоизи хориҷкуниро ба таври ҷиддӣ бад накард, аммо NaNO₃ бо зиёд шудани консентратсия самаранокиро ба таври намоён коҳиш дод. Дар кори лаборатории 40-соата устувории ҷараён ва хориҷкунии баланд нигоҳ дошта шуданд.
Таҳқиқот дастгирӣ намекунад: Натиҷаҳо исбот намекунанд, ки дар оби партови воқеии саноатӣ ҳатман ҳамон самаранокӣ ба даст меояд, металлҳои вазнин ва моддаҳои органикии дигар ба система таъсир намекунанд, мембрана дар кори дарозмуддати тиҷоратӣ ифлос намешавад ё раванд аз ҷиҳати иқтисодӣ аз системаҳои мавҷудаи саноатии тозакунӣ беҳтар аст.
Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот
| Тағйирёбандаи озмоиш | Шароит | Хориҷкунии Cd²⁺ | Ҷараёни миёна | Тафсири асосӣ |
|---|---|---|---|---|
| SDS нест | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %30.88 ± 10.8 | 229.25 ± 2.43 L m⁻² h⁻¹ | Мембранаи PES танҳо хориҷкунии маҳдудро таъмин кард. |
| 0.5 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %96.77 ± 0.03 | 170.86 ± 3.04 L m⁻² h⁻¹ | Хориҷкунии баланд дар зери CMC бо тағйири CMC-и самаранок дар система ва ҷамъшавии сатҳӣ алоқаманд карда шуд. |
| 1 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | %99.44 ± 0.68 | 168.29 ± 1.51 L m⁻² h⁻¹ | Шарти оптималии SDS, ки таҳқиқот интихоб кардааст. |
| 1.5 CMC SDS | 50 mg L⁻¹ Cd²⁺ | Тақрибан %99.76 | 159.25 ± 1.60 L m⁻² h⁻¹ | Дар баробари афзоиши маҳдуди иловагии хориҷкунӣ, ҷараён боз ҳам кам шуд. |
| pH | pH 3–9, 1 CMC | %98.78–99.32 | Аз 183.02 то 164.56 L m⁻² h⁻¹ коҳиш ёфт | Хориҷкунӣ нисбатан устувор монд, ҷараён бо pH тағйир ёфт. |
| Консентратсияи ғизодиҳии Cd²⁺ | 10–50 mg L⁻¹ | Дар ҳама шароит аз %99 боло | Аз 178.04 то 168.29 L m⁻² h⁻¹ коҳиш ёфт | Бо зиёд шудани консентратсияи металл ҷараён коҳиш ёфт. |
| NaNO₃ | 0.01 mol L⁻¹ | %98.84 ± 0.12 | 164.02 ± 1.67 L m⁻² h⁻¹ | Дар қувваи пасти ионӣ хориҷкунӣ асосан нигоҳ дошта шуд. |
| NaNO₃ | 0.03 mol L⁻¹ | %90.44 ± 0.23 | 155.12 ± 1.65 L m⁻² h⁻¹ | Таъсири иони рақобаткунанда намоён шуд. |
| NaNO₃ | 0.05 mol L⁻¹ | %78.12 ± 0.01 | 154.05 ± 1.82 L m⁻² h⁻¹ | Консентратсияи баланди электролит самаранокии MEUF-ро ба таври ҷиддӣ коҳиш дод. |
| Кори дарозмуддат | 40 h, 50 mg L⁻¹ Cd²⁺, 1 CMC | Дар ҳар ченкунӣ аз %98.5 боло | Коҳиши пайвастаи намоён нест | Устувории кори кӯтоҳ/миёнамуддат дар миқёси лабораторӣ нишон дода шуд. |
Муайянкунии таҷрибавии CMC
CMC бо ҷудо шудани робитаи байни ноқилияти барқии маҳлули SDS ва молярият ба ду режими тақрибан хаттӣ муайян карда шуд. Пеш аз CMC ионҳои мономерии SDS ба ноқилият саҳми калон медиҳанд, аммо баъди оғоз шудани мицеллашавӣ рафтори интиқолдиҳандагони озод тағйир меёбад ва нишебии хатти ноқилият–консентратсия фарқ мекунад. Нуқтаи буриши ду минтақаи хаттӣ 8.14 mmol L⁻¹ чен шуд.
Маънои илмии тавсиф
FTIR нишон медиҳад, ки гурӯҳҳои асосии функсионалии кимиёвии мембрана нигоҳ дошта шудаанд. Таҳқиқоти SEM/EDS исбот намекунанд, ки дар сатҳ мутлақо ҳеҷ ҷамъшавӣ нест; дар анҷоми 40 соат қабати тунук бо чашм дида шуд. Аз ин рӯ, тафсири эҳтиёткортарин ин аст, ки дар шароити таҳқиқот fouling-и шадид ва доимӣ мушоҳида нашудааст .
Оё Ин Натиҷаҳо Ҳамон Самаранокиро дар Оби Партови Воқеии Саноатӣ Исбот Мекунанд?
Не. Озмоишҳо дар маҳлулҳои назоратшавандаи Cd²⁺, ки бо оби деионизатсияшуда омода шудаанд, гузаронида шуданд; ионҳои сершумори металлӣ, моддаҳои органикии ҳалшуда, шӯрии баланд, моддаҳои сахти муаллақ ва таркиби кимиёвии тағйирёбандае, ки дар оби партови воқеӣ мавҷуд буда метавонанд, метавонанд пайвастшавии SDS–Cd²⁺, мицеллашавӣ, ҷараёни мембрана ва рафтори fouling-ро тағйир диҳанд.
Коҳиши самаранокӣ дар озмоиши NaNO₃ ин маҳдудиятро махсусан равшан мекунад: ҳатто баланд кардани як электролит то 0.05 mol L⁻¹ хориҷкунии Cd²⁺-ро тақрибан то %78 коҳиш дод. Аз ин рӯ, тасдиқ дар оби партови воқеӣ марҳилаи табиии навбатии таҳқиқот мебошад.
Ёддошти Манбаъ ва Усул
Таҳқиқоти аслӣ: Advanced Micellar-Enhanced Ultrafiltration for the Removal of Cadmium (Cd2+) from Wastewater.
Муаллифон: Prakriti Sapkota, Sunith B. Madduri, Raghava R. Kommalapati.
Муассисаҳо: 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, ИМА.
Маҷалла: Water.
Маълумоти нашр: 2026, Ҷилди 18, Мақолаи 191.
DOI: 10.3390/w18020191.
Санаи нашр: 12 январи 2026.
Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии тақризшуда.
Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY). Ҳуқуқи муаллиф © 2026 ба муаллифон тааллуқ дорад; ношир MDPI, Basel, Switzerland мебошад.
Маблағгузорӣ: National Science Foundation, CREST Center for Energy and Environmental Sustainability-Phase II, Award #1914692.
Дастрасии додаҳо: Муаллифон хабар медиҳанд, ки додаҳо дар дохили мақола мавҷуданд.
Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор мекунанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.
Маҳдудияти асосии методологӣ: Таҳқиқот ба маҳлули Cd²⁺, ки дар лаборатория омода шудааст, асос меёбад. Оби партови воқеии саноатӣ истифода нашудааст; матритсаи бисёркомпонентӣ, умри дарозмуддати мембрана, барқарорсозии моддаи сатҳфаъол ва иқтисоди раванди миқёси пурра арзёбӣ нашудаанд.
Ёддошт дар бораи номувофиқии дохилии манбаъ: Дар натиҷаҳои муфассали озмоишӣ шарти 0.5 CMC хориҷкунии %96.77 ± 0.03 Cd²⁺ медиҳад; аммо дар бахши натиҷаҳо ибораи “0.05 CMC” омадааст. Ин ду қимат бо ҳам мувофиқ нестанд. Матни Verianla маълумоти санҷишшавандаи 0.5 CMC-и бахши озмоишро асос гирифта, ибораи мухолифи бахши натиҷаҳоро ҳамчун натиҷаи мустақил истифода накардааст.
Шарҳ гузоред
Нишонии почтаи электронии шумо нашр намешавад. Майдонҳои ҳатмӣ бо * нишон дода шудаанд