DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83801-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762353
تاريخ النشر: 2025-01-06
المؤلف: Nusrat Bashir وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تطوير وتقييم الأغشية المختلطة (MMMs) التي تحتوي على جزيئات فضة نانوية (AgNPs) تم تصنيعها بطريقة صديقة للبيئة من مستخلص الكركديه (Hibiscus Rosa sinensis) داخل مصفوفة بولي إيثير سلفون (PES)، مستهدفة تطبيقات النانو ترشيح (NF). تم تقييم الأغشية لمؤشرات الأداء الرئيسية، بما في ذلك نفاذية المياه النقية، ورفض الملح، وإزالة الصبغة، وخصائص مقاومة التلوث. ومن الجدير بالذكر أن الغشاء الذي يحتوي على 0.75 wt% من AgNPs حقق أعلى نفاذية للمياه النقية بمعدل 36 لتر/م² ساعة⁻¹ بار⁻¹، وذلك بفضل زيادة المسامية والمحبة للماء. أدت إضافة AgNPs إلى تحسين كبير في معدلات رفض الملح، حيث زاد رفض NaCl من 32% إلى 57%، وMgSO₄ من 26% إلى 67%، وCaCl₂ من 27% إلى 41%. علاوة على ذلك، أظهرت اختبارات مقاومة التلوث أن هذا الغشاء أظهر تلوثًا لا رجعة فيه ضئيلًا واستعادة تدفق مثالية، مما يبرز الخصائص المضادة للميكروبات والخصائص السطحية المحسنة التي أضافتها AgNPs.
في الختام، أدى دمج AgNPs المصنعة بطريقة صديقة للبيئة في مصفوفة PES إلى تحسين أداء MMMs بشكل ملحوظ، مما وضعها ضمن نطاق النانو ترشيح الفضفاض. أظهر غشاء 0.75 wt% من AgNPs قدرات متفوقة في رفض الصبغات، خاصة بالنسبة لمادة الميثيلين الأزرق وكونغو الأحمر، حيث حقق رفضًا يصل إلى 100% عند تركيزات أعلى. تؤكد الدراسة على إمكانيات AgNPs المصنعة بطريقة صديقة للبيئة كمواد نانوية فعالة لتطوير أغشية عالية الأداء ومستدامة بيئيًا لمعالجة مياه الصرف. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين أداء الأغشية للملوثات العضوية المحددة، مثل الروز بنغال، واستكشاف قابلية توسيع تصنيع AgNPs للتطبيقات الصناعية لضمان أداء متسق في البيئات العملية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية، بما في ذلك نترات الفضة (AgNO₃)، وN-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) كمذيب، والبولي إيثير سلفون (PES) كبوليمر. تم الحصول على نترات الفضة وNMP من Sigma-Aldrich، بينما تم الحصول على PES (Ultrason E 6020P) من BASF Co.، ألمانيا. تم أيضًا شراء مواد كيميائية إضافية مثل كلوريد الصوديوم (NaCl)، وكلوريد الكالسيوم (CaCl₂)، وكبريتات المغنيسيوم (MgSO₄) من Sigma-Aldrich. تم استخدام ورقة قماش غير منسوجة من البولي بروبيلين/البولي إيثيلين (PP/PE)، المقدمة من Freudenberg، ألمانيا، كمواد دعم لصب الأغشية.
للتصنيع الأخضر لجزيئات الفضة النانوية، تم جمع أزهار الكركديه (Hibiscus rosa-sinensis) الطازجة من المناطق الاستوائية في لاهور، باكستان. تم إجراء جميع الإجراءات التجريبية باستخدام مياه منزوع الأيونات (DI) بمقاومة 18.2 MΩ سم، تم الحصول عليها من نظام تنقية، مما يضمن نقاءً عاليًا للتفاعلات المعنية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة متناسبة، مما يشير إلى وجود رابط سببي محتمل.
بالإضافة إلى ذلك، يناقش القسم تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مشيرًا إلى كيفية توافقها أو تعارضها مع الدراسات السابقة. يؤكد المؤلفون على أهمية هذه النتائج في تعزيز الفهم في هذا المجال ويقترحون سبلًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الظواهر الملاحظة بشكل أكبر. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز الإطار النظري المحيط بالموضوع.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات الفضة النانوية (AgNPs) بنجاح باستخدام مستخلص أزهار الكركديه (Hibiscus Rosa sinensis) من خلال طريقة تصنيع صديقة للبيئة، والتي تعتبر صديقة للبيئة وفعالة. تضمنت العملية غلي مستخلص الأزهار، وخلطه مع محلول نترات الفضة، وضبط الرقم الهيدروجيني لتسهيل تشكيل الجزيئات النانوية، مما يدل عليه تغيير اللون إلى البني الداكن. تم توصيف AgNPs المصنعة باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مما أكد هيكلها البلوري وتوزيع الحجم، بمتوسط حجم حوالي 70 نانومتر. أشارت وجود مجموعات وظيفية في طيف FT-IR إلى دور البوليفينولات والبروتينات من مستخلص النبات في تقليل واستقرار الجزيئات النانوية.
ثم تم دمج AgNPs في الأغشية المختلطة (MMMs) التي تم تصنيعها عبر تقنية انقلاب الطور، مما عزز من محبة الأغشية للماء وأداء الترشيح. أظهر توصيف MMMs تحسينًا في نفاذية المياه، حيث أدى التركيز الأمثل البالغ 0.75 wt% من AgNPs إلى تدفق مياه نقية قدره 36 لتر/م² ساعة⁻¹ بار⁻¹، وهو أعلى بكثير من 11 لتر/م² ساعة⁻¹ بار⁻¹ للغشاء النقي من PES. لم تؤدي إضافة AgNPs إلى زيادة المسامية وخصائص مقاومة التلوث فحسب، بل عدلت أيضًا الشحنة السطحية للأغشية، مما عزز أدائها العام لتطبيقات ترشيح المياه. ومع ذلك، أدت تركيزات AgNP الزائدة إلى تكتل الجزيئات النانوية، مما أثر سلبًا على هيكل الغشاء وأدائه، مما يبرز أهمية تحسين تحميل AgNP لتحقيق وظيفة فعالة للغشاء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83801-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762353
Publication Date: 2025-01-06
Author(s): Nusrat Bashir et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
This study investigates the development and evaluation of mixed matrix membranes (MMMs) that incorporate green-synthesized silver nanoparticles (AgNPs) derived from Hibiscus Rosa sinensis extract within a polyethersulfone (PES) matrix, targeting nanofiltration (NF) applications. The membranes were assessed for key performance metrics, including pure water permeability, salt rejection, dye removal, and antifouling characteristics. Notably, the membrane containing 0.75 wt% AgNPs achieved the highest pure water permeability of 36 L/m² h⁻¹ bar⁻¹, attributed to enhanced porosity and hydrophilicity. The addition of AgNPs significantly improved salt rejection rates, with NaCl rejection increasing from 32% to 57%, MgSO₄ from 26% to 67%, and CaCl₂ from 27% to 41%. Furthermore, antifouling tests indicated that this membrane exhibited minimal irreversible fouling and optimal flux recovery, underscoring the antimicrobial properties and improved surface characteristics imparted by the AgNPs.
In conclusion, the incorporation of green-synthesized AgNPs into the PES matrix markedly enhanced the performance of the MMMs, positioning them within the loose nanofiltration range. The 0.75 wt% AgNPs membrane demonstrated superior capabilities in dye rejection, particularly for Methylene Blue and Congo Red, achieving up to 100% rejection at higher concentrations. The study emphasizes the potential of green-synthesized AgNPs as effective nanofillers for the development of high-performance, environmentally sustainable membranes for wastewater treatment. Future research should focus on optimizing membrane performance for specific organic pollutants, such as Rose Bengal, and exploring the scalability of AgNP synthesis for industrial applications to ensure consistent performance in practical settings.
Methods
In this study, a variety of analytical-grade chemicals were utilized, including silver nitrate (AgNO₃), N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent, and the polymer polyethersulfone (PES). The silver nitrate and NMP were sourced from Sigma-Aldrich, while PES (Ultrason E 6020P) was obtained from BASF Co., Germany. Additional reagents such as sodium chloride (NaCl), calcium chloride (CaCl₂), and magnesium sulfate (MgSO₄) were also procured from Sigma-Aldrich. A non-woven polypropylene/polyethylene (PP/PE) fabric sheet, provided by Freudenberg, Germany, served as the support material for membrane casting.
For the green synthesis of silver nanoparticles, fresh flowers of Hibiscus rosa-sinensis were collected from tropical regions in Lahore, Pakistan. All experimental procedures were conducted using deionized water (DI) with a resistivity of 18.2 MΩ cm, obtained from a purification system, ensuring high purity for the reactions involved.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the results demonstrate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, suggesting a potential causal link.
Additionally, the section discusses the implications of these findings in the context of existing literature, noting how they align or contrast with previous studies. The authors emphasize the importance of these results for advancing understanding in the field and propose avenues for future research to further explore the observed phenomena. Overall, the results contribute valuable insights that enhance the theoretical framework surrounding the topic.
Discussion
In this study, silver nanoparticles (AgNPs) were successfully synthesized using Hibiscus Rosa sinensis flower extract through a green synthesis method, which is both eco-friendly and efficient. The process involved boiling the flower extract, mixing it with a silver nitrate solution, and adjusting the pH to facilitate nanoparticle formation, indicated by a color change to dark brown. The synthesized AgNPs were characterized using Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), and Scanning Electron Microscopy (SEM), confirming their crystalline structure and size distribution, with an average size of approximately 70 nm. The presence of functional groups in the FT-IR spectrum indicated the role of polyphenols and proteins from the plant extract in reducing and stabilizing the nanoparticles.
The AgNPs were then incorporated into mixed matrix membranes (MMMs) fabricated via the phase inversion technique, enhancing the membranes’ hydrophilicity and filtration performance. Characterization of the MMMs revealed improved water permeability, with the optimal concentration of 0.75 wt% AgNPs resulting in a pure water flux of 36 L/m² h⁻¹ bar⁻¹, significantly higher than the neat PES membrane’s 11 L/m² h⁻¹ bar⁻¹. The incorporation of AgNPs not only increased porosity and antifouling properties but also modified the surface charge of the membranes, enhancing their overall performance for water filtration applications. However, excessive AgNP concentrations led to nanoparticle aggregation, negatively impacting membrane structure and performance, underscoring the importance of optimizing AgNP loading for effective membrane functionality.