الكلمات الرئيسية: التنظيف الذاتي، الترشيح النانوي، الميثيلين الأزرق، مياه الصرف الصناعي، الامتصاص، الاستدامة

أصبح تصريف مياه الصرف التي تحتوي على صبغات كاتيونية مصدر قلق بيئي كبير، مما أدى إلى تطوير طرق مستدامة وفعالة

لإزالتها [31]. لقد حظيت نتائج أغشية الترشيح النانوي باهتمام كبير في السنوات الأخيرة، حيث تقدم حلاً واعدًا لإزالة الملوثات من مياه الصرف. في هذه الدراسة، نقدم غشاء ترشيح نانوي ذاتي التنظيف مصنوع من السليلوز النانوي المجهري وجزيئات الألومينات التيتانيوم المدمجة في راتنج الفينيل (VR) لإزالة الصبغات الكاتيونية من مياه الصرف [5].

تعتبر إزالة الصبغة من مياه الصرف تحديًا بيئيًا مهمًا بسبب سمية ووضوح جزيئات الصبغة. لقد تم دراسة طرق المعالجة التقليدية مثل التجلط والترسيب والامتصاص والترشيح بالغشاء بشكل مكثف لإزالة الصبغة.
يعتبر الامتصاص باستخدام مواد ماصة منخفضة التكلفة خيارًا جذابًا بسبب بساطته وكفاءته العالية. تم استكشاف مجموعة متنوعة من
المخلفات الزراعية والصناعية كمواد ماصة بما في ذلك الكيتوزان، وطحالب الخث، والبنتونيت، والفحم النشط. ومع ذلك، تحتاج المواد الماصة إلى التجديد أو التخلص منها بعد التشبع، مما يزيد من تكاليف المعالجة.
يوفر الترشيح بالغشاء بديلاً من خلال الفصل المستمر دون تجديد. لقد حظيت الأغشية النانوية المركبة التي تدمج المواد النانوية في مصفوفة بوليمر باهتمام بسبب انتقائيتها المحسنة وخصائصها المضادة للتلوث مقارنة بأغشية البوليمر النقية. تُستخدم أكاسيد المعادن مثل ثاني أكسيد التيتانيوم وأكسيد الألمنيوم وأكسيد الزنك كمواد مالئة شائعة لمنح الخصائص المحبة للماء والأسطح المشحونة لامتصاص الصبغة.
بينما تم إحراز تقدم كبير، لا يزال تطوير مواد الأغشية القابلة لإعادة الاستخدام وذات التكلفة الفعالة مجالًا نشطًا للبحث. في هذا العمل، نبني على الدراسات السابقة من خلال تخليق غشاء جديد من PVC/السليلوز النانوي المجهري@الألومينات التيتانيوم يدمج قدرات الامتصاص مع وظيفة التنظيف الذاتي لإزالة الصبغة المستدامة. يتم التحقيق بشكل منهجي في الخصائص الفريدة للغشاء ومقاومته للتلوث.
تُستخدم عمليات معالجة مياه الصرف التقليدية، مثل التجلط والترسيب والمعالجة البيولوجية، على نطاق واسع لإزالة ملوثات مختلفة، بما في ذلك الصبغات. ومع ذلك، غالبًا ما تواجه هذه العمليات قيودًا في إزالة الصبغات العنيدة والمستمرة بشكل فعال، وخاصة الصبغات الكاتيونية مثل الميثيلين الأزرق (MB). علاوة على ذلك، يمكن أن تولد هذه الطرق كميات كبيرة من الحمأة، وتتطلب مرافق معالجة واسعة، وتنطوي على عمليات معقدة، مما يؤدي إلى تكاليف عالية ومخاوف بيئية محتملة.
تكمن جدّة عملنا في دمج الألياف النانوية السليلوزية وجزيئات الألومينات ألفا التيتانيوم في VR لتطوير غشاء بقدرات محسنة على الامتصاص والترشيح. تم تصميم الغشاء المُصنّع بخصائص فريدة للتنظيف الذاتي تسمح بإزالة سهلة لوكلاء التلوث، مما يحافظ على الاستقرار على المدى الطويل وأداء الترشيح العالي. نحن نحقق في كفاءة امتصاص الغشاء تجاه صبغة MB الكاتيونية تحت ظروف مختلفة، بما في ذلك جرعة الماصة، وقيم الرقم الهيدروجيني، وتركيزات الصبغة [26].
المساهمة الرئيسية لدراستنا هي التطوير الناجح لغشاء ترشيح نانوي ذاتي التنظيف من PVC/الألياف النانوية السليلوزية (CNF)@الألومينات ألفا التيتانيوم بكفاءة عالية في إزالة الصبغات الكاتيونية من مياه الصرف. تسمح خاصية التنظيف الذاتي الفريدة للغشاء بإزالة سهلة لوكلاء التلوث، مما يحافظ على الاستقرار على المدى الطويل وأداء الترشيح العالي. بالإضافة إلى ذلك، نستكشف حركيات ونماذج الإيزوثيرم لعملية الامتصاص، مما يوفر
رؤى حول سلوك الغشاء وإمكاناته في تطبيقات معالجة مياه الصرف [13].

من وجهة نظر التطبيق الصناعي، يتمتع غشاء الترشيح النانوي ذاتي التنظيف من VR/الألياف النانوية السليلوزية @الألومينات ألفا التيتانيوم بإمكانات كبيرة لإزالة الصبغات الكاتيونية بكفاءة من مياه الصرف في مختلف البيئات الصناعية، مثل صناعة النسيج والطباعة وصبغ الأقمشة. تجعل كفاءة الغشاء العالية واستقراره وإمكانية إعادة استخدامه مرشحًا واعدًا للتطبيقات الصناعية على نطاق واسع، مما يساهم في التنمية المستدامة لمجتمعنا [34]. يمكن أن يقلل استخدام هذه المادة الغشائية الجديدة بشكل كبير من تكاليف التشغيل والأثر البيئي لإزالة الصبغة من مياه الصرف [10].

تشمل العواقب العملية لعملنا الإمكانات للتطبيقات الصناعية والفوائد البيئية الكبيرة، مما يساهم في التنمية المستدامة لمجتمعنا. يمكن أن يقلل استخدام هذه المادة الغشائية الجديدة بشكل كبير من تكاليف التشغيل والأثر البيئي لإزالة الصبغة من مياه الصرف. علاوة على ذلك، توفر نتائج هذه الدراسة رؤى قيمة للعلماء الآخرين العاملين في مجال معالجة مياه الصرف وتطوير أغشية الترشيح النانوي [20].

يقدم هذا العمل نهجًا جديدًا لمعالجة إزالة الصبغات الكاتيونية بكفاءة من مياه الصرف من خلال تطوير غشاء ترشيح نانوي ذاتي التنظيف. يتكون الغشاء من راتنج فينيل (VR) وألياف نانوية سليلوزية (CNF) وجزيئات نانوية من الألومينات ألفا التيتانيوم (TAAL). من خلال دمج CNF وTAAL في مصفوفة VR، يتم إنشاء غشاء نانوي مركب بقدرات محسنة على الامتصاص والترشيح مقارنةً بأغشية VR التقليدية.

يسمح استخدام CNF وTAAL الصديقين للبيئة وذوي التكلفة الفعالة للغشاء النانوي المركب بتحقيق سعة امتصاص عالية وكفاءة إزالة للصبغات الكاتيونية، مثل الميثيلين الأزرق. تسهل خاصية التنظيف الذاتي للغشاء الطبيعة المحبة للماء لـ CNF وTAAL، مما يمكّن من إزالة سهلة لوكلاء التلوث ويضمن أداء ترشيح طويل الأمد.

تم إجراء تحقيقات شاملة لفهم سلوك امتصاص الغشاء. تم دراسة عوامل مثل تحميل TAAL، والرقم الهيدروجيني، وتركيز الصبغة الأولية لتحديد تأثيراتها على سعة الامتصاص وكفاءة الإزالة. تشير النتائج إلى أن الغشاء يتبع نموذج الترتيب الثاني الزائف لحركية الامتصاص، مما يشير إلى آلية كيميائية. بالإضافة إلى ذلك، يصف نموذج إيزوثيرم فروندليش الامتصاص متعدد الطبقات على سطح الغشاء النانوي المركب.

علاوة على ذلك، فإن إمكانيات الغشاء للتطبيقات الصناعية في صناعات النسيج والطباعة والصباغة
لقد تم إثبات ذلك. إنه يقدم حلاً مستدامًا لمعالجة مياه الصرف الصحي وإزالة الأصباغ، مما يساهم في الحفاظ على البيئة ومعالجة القضايا الاقتصادية. التركيبة الفريدة، والأداء العالي، وإمكانية إعادة الاستخدام لغشاء النانو المركب VR-CNF@TAAL ذاتية التنظيف تجعلها خيارًا واعدًا لإزالة الأصباغ الكاتيونية بكفاءة من مياه الصرف الصحي.

تهدف هذه الورقة إلى تقديم نهج جديد لتطوير غشاء نانوفيلتر ذاتي التنظيف باستخدام نانو سليلوز ميكروكريستالي وجزيئات نانو ألومينات التيتانيوم المدمجة في VR لإزالة الأصباغ الكاتيونية من مياه الصرف. توفر دراستنا تحقيقًا شاملاً لقدرة الامتصاص للغشاء تجاه صبغة الكاتيون MB تحت ظروف مختلفة. يمثل التطوير الناجح لغشاء نانوفيلتر VR/ألياف السليلوز النانوية@ألومينات التيتانيوم ألفا ذاتي التنظيف بكفاءة عالية في إزالة الأصباغ الكاتيونية من مياه الصرف تقدمًا كبيرًا في مجال معالجة مياه الصرف. إن خاصية الغشاء الفريدة في التنظيف الذاتي، وكفاءته العالية، واستقراره، وإمكانية إعادة استخدامه تجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات الصناعية على نطاق واسع، مما يساهم في التنمية المستدامة لمجتمعنا.

راتنج الفينيل (VR)، رباعي هيدروفوران (THF)، ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF)، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، أسيتات التيتانيوم هيدروكسيد الأمونيوم كلوريد التيتانيوم ، وتم الحصول على الميثيلين الأزرق (MB) من شركة ABC Chemicals. تم الحصول على الماء المقطر المستخدم في هذه الدراسة من نظام تنقية المياه المحلي. تشمل المنتجات الكيميائية الأخرى المستخدمة الماء المقطر، HCl، الكحول الإيزوبروبيلي، و الحلول المستمدة من شركة ABC Chemicals. في هذا المشروع البحثي، كانت جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية. تم الحصول على المخلفات الزراعية المستخدمة كمصدر للسليلوز الميكروكريستالي من المزارع في مصر.

تبدأ المغامرة مع تتراباك، الممزق والمجرد من كل شيء. نقع لمدة 24 ساعة في الماء المقطر يلين دفاعاته، يتبعه خلط عالي السرعة لكشف أسراره الليفية. يتم تصفية المعلق الناتج وغسله، مما يكشف عن السليلوز الخام تحته، خالٍ من الشوائب ومحايد في الرقم الهيدروجيني. أخيرًا، يتم التجفيف بلطف عند يوم واحد يكشف عن السليلوز الخام، جاهز لانتقاله التالي.

السليلوز الخام، على الرغم من تحريره، لا يزال يحتفظ بآثار من عناصر غير مرغوب فيها. لتكريره، تأتي معالجة NaOH على مرحلتين في المقدمة. أولاً، الحل يغمر السليلوز في لمدة ساعتين، يتم تفكيك وإذابة الشوائب. تتبع ذلك عمليات غسل محايدة وترشيح، مما يترك نسخة أنظف خلفها. تتكرر هذه العملية مع حل، مزيد من تلميع السليلوز حتى يلمع.

لكن هناك المزيد من التنقية أكثر من مجرد إزالة الشوائب. تنتظر خطوة تبييض نهائية، حيث تتعرض السليلوز لمحلول من حمض الأسيتيك وكلوريت الصوديوم في لمدة 3 ساعات. هذا الثنائي القوي يقضي على أي لون متبقي، مما يجعل السليلوز نقيًا وأبيض، جاهزًا لتحوله النهائي.

الآن يأتي لحظة الحقيقة: التحلل المائي. تواجه السليلوز المنقى منافسًا قويًا- حمض الكبريتيك عند لـ . هذا الحمض القوي يكسر هيكل السليلوز إلى قطع صغيرة، مما يمهد الطريق لظهور النانكرystals. بمجرد أن تنتهي مهمة الحمض، يتم تخفيف المحلول بالماء البارد، ويعيد حمام التعادل مع NaOH التوازن. ثم تخضع التعليق الناتج للطرد المركزي، مما يفصل النانكرystals السليلوز الثمينة عن القطع المتبقية. أخيرًا، يتم إجراء عملية غسيل ضد الماء المقطر لمدة أسبوع، تليها عملية سونكشن وجولة أخرى من الطرد المركزي، لتنقية وعزل النانكرystals، جاهزة للتوصيف [29].

تت culminate الرحلة في كشف الطبيعة الحقيقية لهذه العجائب المجهرية. تكشف تقنيات قوية مثل XRD وFTIR وTEM وTGA عن أسرارها. يقوم XRD بتحليل هيكلها البلوري، بينما يستكشف FTIR تركيبها الكيميائي، ويقدم TEM لمحة عن حجمها وشكلها الصغير بشكل مذهل، ويكشف TGA عن استقرارها الحراري كما هو موضح في الشكل 1 [33].

تصنيع وتوصيف السليلوز- الفيلم المركب لتحلية المياه يتضمن عدة مواد وطرق. المواد المطلوبة للعملية تشمل ألياف السليلوز النانوية (CNFs) وثاني أكسيد التيتانيوم ( جزيئات النانو، ماء منزوع الأيونات (DI)، ألجينات الصوديوم (SA)، بولي إيثيلين جلايكول (PEG) كإضافة اختيارية، وكلوريد الكالسيوم .

الخطوة الأولى هي تحضير السليلوز- المركب. يتضمن ذلك توزيع 0.5 جرام من الألياف النانوية الكربونية في 50 مل من الماء المقطر مع التحريك المغناطيسي لمدة ساعة واحدة. وبالمثل، 0.25 جرام من تتوزع الجسيمات النانوية في 50 مل

من ماء DI مع التحريك المغناطيسي لمدة ساعة واحدة. ثم يتم دمج التشتت مع تشتت CNF ويتم التحريك لمدة ساعة واحدة. بالتوازي، يتم إذابة 1 جرام من SA في 100 مل من الماء المقطر مع التحريك لمدة ساعة واحدة. يمكن إضافة PEG إلى محلول SA لتحسين مرونة الفيلم. CNF ثم يتم دمج الخليط مع محلول SA ويُحرك لمدة ساعة إضافية [21].
بعد إعداد المركب، تبدأ عملية صب الفيلم. يتم صب خليط المركب على لوحة زجاجية مستوية وتجفيفه عند لمدة 24 ساعة للحصول على السليلوز- فيلم مركب. الربط المتقاطع للفيلم هو خطوة اختيارية لتحسين استقراره ورفض الملح. يمكن غمر الفيلم في حل لمدة ساعة واحدة، يتبعه غسل بالماء المقطر وتجفيفه عند لمدة 24 ساعة أخرى. لتقييم أداء التحلية للفيلم، تم إعداد نظام ترشيح مغلق باستخدام محلول التغذية. تدفق النفاذ، الذي يشير إلى معدل تدفق الماء، والملح
ثم يتم قياس معدل الرفض للفيلم. يمكن أيضًا إجراء توصيف للفيلم. يمكن تحليل شكل الفيلم باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). يمكن دراسة كيمياء السطح باستخدام مطياف الأشعة السينية للألكترونات (XPS)، ويمكن التحقيق في الخصائص الميكانيكية من خلال اختبار الشد. تشمل النتائج المتوقعة من هذه عملية التصنيع زيادة في المحبة للماء ونفاذية الماء للفيلم المركب بسبب وجود CNFs و . الربط الاختياري مع يمكن أن يحسن أيضًا استقرار الفيلم ورفض الملح. كما لوحظ أن تحسين CNF/TiO ويمكن أن تعزز نسب SA/PEG أداء التحلية وخصائص الفيلم العامة [17].

تم تصنيع غشاء مركب باستخدام طريقة الانعكاس الطوري مع فلوريد البولي فينيليدين (PVDF)
كمادة بوليمرية. تم تحضير محلول PVDF عن طريق إذابة 15 جرام من حبيبات PVDF في 110 مل من مذيب N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) والتحريك لمدة 24 ساعة في تم إضافة جزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية إلى المحلول في وتمت المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 30 دقيقة. محلول البوليمر الذي يحتوي على تم صب الجسيمات النانوية على لوحة زجاجية مسطحة باستخدام سكين صب مع السماكة كما هو موضح في الجدول 1. تم غمر الفيلم المصبوب على الفور في حمام تجلط الماء عند لمدة 10 دقائق [27].

ثم تمت إزالة الغشاء من حمام الماء، وتم تصريف الماء الزائد. تم نقع الغشاء في ماء منزوع الأيونات لمدة 48 ساعة لإزالة المذيب المتبقي. تم قياس سمك الغشاء باستخدام الكالبر في عدة نقاط وتم حساب المتوسط. تم معالجة سطح الغشاء بالبلازما لمدة 3 دقائق عند 30 واط لإدخال مجموعات وظيفية محبة للماء. تم تقييم أداء الغشاء من حيث تدفق الماء ورفض الصبغة (الميثيلين الأزرق). تم تغيير معلمات العملية المختلفة لتحسين خصائص الغشاء، بما في ذلك تركيز البوليمر، تركيز الجسيمات النانوية، درجة حرارة حمام التجلط، ومدة معالجة البلازما. يتم عرض مخطط لعملية تصنيع الغشاء المركب في الشكل 2.

تم استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لتحديد المجموعات الوظيفية الموجودة في الغشاء ولتأكيد دمج الجسيمات النانوية. تم تسجيل الطيف في نطاق 4000 باستخدام مطياف FTIR من Thermo Scientific Nicolet iS10 [2].
تم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية باستخدام جهاز حيود الأشعة السينية PANalytical Empyrean الذي يعمل عند 45 كيلوفولت و 40 مللي أمبير مع إشعاع ). تم جمع البيانات في نطاق بمعدل مسح تم حساب حجم البلورات من اتساع القمة باستخدام معادلة شيرر [15].
تمت ملاحظة مورفولوجيا سطح الغشاء وتشتت الجسيمات النانوية بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني (FESEM؛ زيس سيغما). تم تحليل التركيب العنصري للغشاء.
باستخدام مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) المدمجة مع FESEM [14].

تم تحليل محبة الماء لسطح الغشاء باستخدام مقياس زاوية الاتصال. تم قياس امتصاص الماء والمسامية للغشاء من خلال طريقة الوزن الرطب/الجاف التقليدية [1].

تم استخدام تقنيات التوصيف المذكورة أعلاه لتحسين تركيبة الغشاء وشكله لتحقيق أقصى قدر من [18].

تم إضافة 0.3 جرام من غشاء PVC-NC-TGAL إلى 100 مل من محلول ميثيلين الأزرق بتركيز 20 جزء في المليون وتم تحريكه بسرعة 200 دورة في الدقيقة. في فترات زمنية محددة، تم أخذ 4 مل من المحلول وتم طردها مركزيًا لإزالة جزيئات الغشاء. تم تحديد تركيز ميثيلين الأزرق في السائل العلوي باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية عند طول موجي 664 نانومتر [30].

تمت دراسة تأثيرات عدة معلمات على قدرة الغشاء على امتصاص الصبغة:

كفاءة إزالة الصبغة ( ) وسعة الامتزاز ( ) تم حسابها باستخدام المعادلات التالية:

أين و هي التركيزات الأولية والتوازنية للميثيلين الأزرق V هو حجم المحلول (لتر)، وW هو كتلة الممتز (جرام) [24].

زادت سعة الامتزاز للغشاء مع زيادة جرعة الغشاء وتركيز الصبغة الأولية

التركيز، ودرجة الحموضة 9. السعة القصوى للامتزاز لـ تم تحقيقه تحت ظروف مثالية [7].

أظهر تحليل FTIR أن أغشية النانو مركب أظهرت قمم مميزة لـ VR عند 2239 و 1331 و 1031 و التي تُنسب إلى اللامتناظر تمدد تشوه، واهتزازات الانحناء في الطائرة وخارج الطائرة على التوالي. كما أظهرت غشاء PVR/CNF قممًا عند 3409 و1688، ، الذي يتوافق مع اهتزاز OH و اهتزازات الانحناء، كما هو موضح في الشكل 3a). عند إضافة الألومينات التيتانية، زادت شدة قمة OH بسبب تكوين روابط هيدروجينية بين مجموعات OH للألومينات التيتانية ومجموعات الألدهيد من النانوسليلوز. القمم عند ، و يتوافق مع أيضًا
زادت في الشدة وانتقلت إلى أطوال موجية أعلى مع زيادة تحميل الألومينات التيتانية [32].

أظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن غشاء VR/CNF أظهر قمة حيود عند من 17.3. أغشية النانو المركبة VR-CNF@ TAAL مع أظهر الألومينات التيتانيوم قمم بلورية متنوعة، مما يدل على التوزيع المتجانس لـ كما هو موضح في الشكل 3ب. أدى زيادة تحميل الألومينات التيتانية إلى ظهور قمم حادة وشديدة عند 24.13 و 25.93 و المتوافقة مع المراحل المختلفة لـ معادلة شيرر، التي تقدر حجم البلورات المتوسطة بحوالي 100 نانومتر، هي صيغة تربط حجم البلورات تحت الميكرونية في مادة صلبة بتوسع قمة في نمط الحيود. وغالبًا ما يُشار إليها بشكل غير صحيح، كصيغة لقياس أو تحليل حجم الجسيمات. تُستخدم في تحديد حجم البلورات في شكل مسحوق. كما هو موضح في الشكل 3c. أظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح أن هناك أربع عمليات مسح.

صور المجهر الإلكتروني (SEM) للأغشية المصنوعة من راتنج الفينيل (VR) ألياف السليلوز النانوية (CNF). الأغشية مُعلمة بـ VR/CNF (الزاوية العليا اليسرى c) الغشاء، VR-CNF@TAAL (1%) (الزاوية العليا اليمنى c)، VR-CNF@TAAL (3%) (الزاوية السفلى اليسرى c)، و VR-CNF@TAAL (5%) (الزاوية السفلى اليمنى c). الأرقام في الأقواس تشير إلى نسبة الألومينات ألفا التيتانيوم (TAAL) التي تم تحميلها على الأغشية. الغشاء VR/CNF له سطح أملس وخالي من الملامح. وذلك لأن PVC هو مادة غير مسامية، والألياف النانوية موزعة بشكل جيد داخل مصفوفة PVC. الغشاء VR-CNF@TAAL ( ) الغشاء له سطح خشن قليلاً، مع بعض المسام الصغيرة المرئية. الـ VR-CNF@TAAL ( تتميز الغشاء بسطح أكثر مسامية، مع مسام أكبر مرئية.

VR-CNF@TAAL ( تمتلك الغشاء أكثر الأسطح مسامية، مع وجود مسام كبيرة جدًا مرئية. إن زيادة المسامية مع زيادة تحميل TAAL ترجع إلى أن TAAL مادة محبة للماء، مما يعني أنها تجذب الماء. عندما يتم تحميل TAAL على الغشاء، فإنه يخلق فراغات بين ألياف VR و CNF. تملأ هذه الفراغات بالماء، مما يخلق مسامًا في الغشاء. تؤثر مسامية الغشاء بشكل كبير على خصائصه. على سبيل المثال، سيسمح الغشاء الأكثر مسامية بمرور المزيد من الماء من خلاله، لكنه سيكون أيضًا أقل فعالية في تصفية الملوثات. لذلك، ستعتمد اختيار مسامية الغشاء على التطبيق المحدد. تُظهر تحليل SEM أن تحميل الألومينات التيتانية له تأثير كبير.
على مسامية أغشية VR/CNF. تزداد مسامية الغشاء مع زيادة تحميل TAAL. وذلك لأن TAAL هو مادة محبة للماء تخلق فراغات بين ألياف VR و CNF. تؤثر مسامية الغشاء بشكل كبير على خصائصه، مثل نفاذية الماء وكفاءة الترشيح كما هو موضح في الشكل 3c [3].

الشكل المقدم، وهو الشكل 3، يعرض أداء أربعة مركبات غشائية مختلفة عند تركيزات متنوعة (جزء في المليون). عند تحليل البيانات، يتضح أن جميع المركبات الأربعة تظهر زيادة في الأداء مع زيادة التركيز. ومع ذلك، فإن معدل الزيادة والأداء الأقصى المحقق يختلفان بين المركبات. بدءًا من المركب VRCNF@TAAL يظهر زيادة ثابتة في الأداء مع زيادة التركيز. بدءًا من مستوى أداء يبلغ 14.5 عند 1 جزء في المليون، يصل إلى 84.5 مثير للإعجاب عند 5 أجزاء في المليون. وهذا يشير إلى وجود علاقة إيجابية قوية بين التركيز والأداء لهذا المركب.
وبالمثل، يُظهر المركب 3% VR-CNF@TAAL أيضًا علاقة إيجابية بين التركيز والأداء. ومع ذلك، يبدأ بمستوى أداء أولي أعلى يبلغ 24.5 عند 1 جزء في المليون ويصل إلى 74.5 عند 5 أجزاء في المليون.
في المقابل، يبدأ مركب 1% VR-CNF@TGAL بمستوى أداء منخفض يبلغ 4.5 عند 1 جزء في المليون. ومع ذلك، مع زيادة التركيز، يظهر أداؤه تحسنًا ملحوظًا، حيث يصل إلى 64.5 عند 5 أجزاء في المليون. أخيرًا، يبدأ مركب VR/CNF بمستوى أداء
مستوى 4.5 عند 1 جزء في المليون ويزداد تدريجياً إلى 44.5 عند 5 أجزاء في المليون. على الرغم من أن زيادة الأداء متسقة، إلا أنها أقل حدة مقارنةً بالمركبات الأخرى.

باختصار، تُظهر المركبات الأربعة جميعها زيادة في الأداء مع زيادة التركيز. ومع ذلك، فإن معدل ومدى تحسين الأداء يختلفان بين المركبات. يُظهر مركب 5% VR-CNF@ TAAL أعلى أداء عند 5 جزء في المليون، بينما يُظهر مركب VR/CNF أدنى أداء. يمكن أن تُعزى هذه الاختلافات إلى الخصائص المميزة لكل مركب وتفاعلاتها مع المادة عند تركيزات مختلفة كما هو موضح في الشكل 4 [25].

تقدم الجدول المقدم أداء (R%) لأربعة مركبات غشائية مختلفة عند جرعات متفاوتة. تكشف مناقشة النتائج عن رؤى مثيرة للاهتمام حول فعالية هذه المركبات عند مستويات جرعة مختلفة. من بين المركبات، يظهر مركب 5% VR-CNF@ TAAL أعلى أداء عند جرعة معينة، مع من 120. وهذا يشير إلى أن هذا المركب المحدد هو الأكثر فعالية مقارنةً بالآخرين. إنه يحقق نتائج متفوقة، مما يوحي بأن وجود VR-CNF@TAAL بنسبة أعلى يعزز أداء المركب.

بالمقارنة، مركب VR-CNF@TAAL يظهر من 100 بنفس الجرعة. بينما هو أقل فعالية من مركب VR-CNF@TAAL يتفوق على كل من مركبات 1% VR-CNF@TAAL و PVC/CNC. وهذا يشير إلى أن نسبة معتدلة من VR-CNF@TAAL لا تزال تساهم في تحسينات كبيرة في الأداء.

المركب 1% VR-CNF@TAAL، عند الجرعة المحددة، يظهر نسبة R% تبلغ 80. على الرغم من أنه أقل فعالية من و تظهر مركبات VR-CNF@TAAL أداءً أفضل من مركب VR/CNF. وهذا يشير إلى أن حتى نسبة أقل من VR-CNF@TAAL يمكن أن تساهم في تحسين الأداء إلى حد ما.
من بين الأربعة مركبات، يظهر مركب VR/CNF أقل أداءً، مع من 60 بنفس الجرعة. إنه الأقل فعالية في المجموعة، مما يشير إلى أن غياب VR-CNF@TAAL يؤثر بشكل كبير على أداء المركب.
باختصار، تختلف فعالية هذه المركبات الغشائية باختلاف مستويات الجرعة. المركبات التي تحتوي على نسب أعلى من VR-CNF@TAAL تظهر أداءً متفوقًا، بينما تلك التي تحتوي على نسب أقل أو بدون هذا المكون تظهر فعالية أقل. وهذا يشير إلى أن VR-CNF@TAAL يلعب دورًا حاسمًا في تعزيز فعالية هذه المركبات. ومع ذلك، من المهم أخذ عوامل أخرى في الاعتبار، مثل ظروف الاستخدام المحددة وخصائص المادة المعالجة، حيث يمكن أن تؤثر أيضًا على الأداء العام للمركبات كما هو موضح في الشكل 5 [11].

تمت دراسة امتصاص الميثيلين الأزرق (MB) على الغشاء من خلال نمذجة حركية باستخدام كل من النظام الزائف من الدرجة الأولى والنظام الزائف من الدرجة الثانية.
النماذج. تلخص الجدول 2 المعلمات الحركية المحسوبة لتركيزات مختلفة من MB ( ، و ). تكشف الملاحظات الرئيسية عن تفضيل واضح لنموذج الترتيب الزائف من الدرجة الثانية، كما يتضح من ارتفاعه المستمر في القيم مقارنةً بالنموذج الزائف من الدرجة الأولى. وهذا يشير إلى أن الكيميائي، الذي ينطوي على تبادل الإلكترونات وقوى التكافؤ، يهيمن على عملية الامتزاز. بالإضافة إلى ذلك، أدت تركيزات الميثيلين الأزرق الأولية الأعلى إلى زيادة سعة الامتزاز التجريبية ( ، Exp)، مما يشير إلى قوة دافعة أقوى لعملية الامتزاز عند تركيزات صبغة أعلى. من المهم أن الحسابات تطابقت قيم كال من نموذج الترتيب الثاني الزائف بشكل وثيق مع قيم Exp، مما يعزز من صلاحيتها. تحمل هذه النتائج دلالات هامة. أولاً، تشير القيم العالية لـ qe و Exp، خاصة عند تركيزات أعلى من MB، إلى أن الغشاء يمتلك إمكانيات واعدة لإزالة MB بكفاءة من مياه الصرف. علاوة على ذلك، فإن هيمنة نموذج الترتيب الثاني الزائف تشير إلى أن الامتصاص الكيميائي يلعب دورًا حاسمًا، مما قد يؤدي إلى ارتباط أقوى وكفاءة إزالة أعلى. أخيرًا، فإن فهم حركيات الامتصاص أمر ضروري لتصميم وتحسين أنظمة الامتصاص، مما يسمح بتحديد وقت الاتصال الأمثل وتوقع معدلات الامتصاص تحت ظروف مختلفة. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق. إن استكشاف تأثير عوامل أخرى مثل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة وقوة الأيونات على حركيات الامتصاص سيوفر فهمًا أكثر شمولاً للعملية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تقييم

إمكانات تجديد الغشاء ضرورية لتقييم أدائه على المدى الطويل والجدوى الاقتصادية في التطبيقات العملية [9].

تمت دراسة امتصاص الميثيلين الأزرق (MB) على الغشاء من خلال نمذجة حركية باستخدام كل من نموذج الترتيب الزائف من الدرجة الأولى ونموذج الترتيب الزائف من الدرجة الثانية. تلخص الجدول 2 المعلمات الحركية المحسوبة لتركيزات مختلفة من MB. ، و ). تكشف الملاحظات الرئيسية عن تفضيل واضح لنموذج الترتيب الزائف من الدرجة الثانية، كما يتضح من ارتفاعه المستمر القيم مقارنةً بنموذج الترتيب الزائف من الدرجة الأولى. وهذا يشير إلى أن الكيميائيات، التي تنطوي على تبادل الإلكترونات وقوى التكافؤ، تهيمن على عملية الامتزاز. بالإضافة إلى ذلك، أدت تركيزات الميثيلين الأزرق الأولية الأعلى إلى زيادة سعة الامتزاز التجريبية ( مما يدل على قوة دافعة أقوى لعملية الامتزاز عند تركيزات صبغة أعلى. من المهم أن القيم المحسوبة لـ qe, Cal من نموذج الترتيب الثاني الزائف
تطابق عن كثب قيم Exp، مما يعزز من صلاحيتها [12].

القيم المحسوبة لـ (ثابت المعدل) لنموذج الترتيب الثاني الزائف وُجد أنه ، و لـ ، و نسب الأغشية، على التوالي. القيم المحسوبة لـ (سعة الامتزاز عند التوازن) باستخدام نموذج الترتيب الثاني الزائف تراوحت بين إلى لنسب الأغشية المختلفة كما هو موضح في الشكل 5S1 و6S2 والجدول 2. تشير هذه النتائج إلى أن امتصاص MB على الأغشية المحضرة يتبع آلية الامتزاز الكيميائي [28]. تحمل هذه النتائج دلالات هامة. أولاً، فإن الارتفاع تشير قيم Exp، خاصة عند تركيزات أعلى من MB، إلى أن الغشاء يمتلك إمكانيات واعدة لإزالة MB بكفاءة من مياه الصرف. علاوة على ذلك، فإن هيمنة نموذج الترتيب الثاني الزائف تشير إلى أن الامتصاص الكيميائي يلعب دورًا حاسمًا، مما قد يؤدي إلى ارتباط أقوى وكفاءة إزالة أعلى.

أخيرًا، فإن فهم حركيات الامتزاز أمر ضروري لتصميم وتحسين أنظمة الامتزاز، مما يسمح بتحديد وقت الاتصال الأمثل وتوقع معدلات الامتزاز تحت ظروف مختلفة. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق. إن استكشاف تأثير عوامل أخرى مثل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة وقوة الأيونات على حركيات الامتزاز سيوفر فهمًا أكثر شمولاً للعملية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تقييم إمكانيات تجديد الغشاء أمر حاسم لتقييم أدائه على المدى الطويل والجدوى الاقتصادية في التطبيقات العملية.

فك تشفير سلوك الامتزاز لمركبات الأغشية: رؤى من تحليل الإيزوثرم.
تقدم الجدول 3 لمحة عن قدرات الامتزاز لمركبات الأغشية المختلفة التي تحتوي على نسب متباينة من التيتانات الألمنيوم، حيث تتعامل مع ملوث عنيد (دعونا نسميه MB في الوقت الحالي). توفر نماذج لانغموير وفرويدليش الدعم خلال هذه الدراسة، موفرة تفاصيل حاسمة حول التفاعل بين الغشاء وMB عند تركيزات مختلفة.
ال القيم، التي تتجاوز 0.90 في جميع المجالات، ترسم صورة مطمئنة. يبدو أن كلا النموذجين مرتاحان لوصف الرقصة بين الغشاء وMB. ومع ذلك، تظهر تفاصيل دقيقة عندما نتعمق أكثر. عند التركيزات العالية، يبدو أن لانغموير يتقدم، مشيرًا إلى امتصاص محدد جيدًا، بطبقة واحدة على سطح الغشاء. ولكن مع انخفاض التركيز، يتقدم فريدنليتش، مشيرًا إلى تفاعل أكثر تعقيدًا متعدد الطبقات. سعة الامتصاص، مثل ضيف جائع، تزداد شهيتها مع كل زيادة في تركيز MB. وهذا ينطبق على كلا النموذجين، مما يشير إلى جذب أقوى بين الغشاء وMB عند الكثافات الأعلى.
الآن، السؤال الذي يساوي مليون دولار: كيف تتراقص نسبة التيتانات الألمنيوم في هذا المشهد المعقد؟ للأسف، بدون نسب محددة في الجدول، نحن في الظلام. ومع ذلك، من خلال تحليل معلمات لانغموير وفرويدليتش عبر تركيزات مختلفة لكل نموذج، قد نصادف أدلة حول تأثير

هذا المكون الغامض على سطح الغشاء ورقصته مع MB.

ت whisper الارتفاع في سعات الامتزاز، خاصة عند التركيزات العالية، وعودًا بأن هذه المركبات الغشائية ستكون محاربين فعالين ضد تلوث الميثيلين الأزرق في مياه الصرف. ولكن لفهم نقاط قوتها وضعفها حقًا، نحتاج إلى التعمق أكثر. يمكن أن يكشف استخدام نماذج الإيزوثرم الإضافية ودراسة حركيات الامتزاز أسرار رقصها مع الميثيلين الأزرق، كاشفًا الآليات السائدة والخطوات التي تتحكم في إيقاعها.

علاوة على ذلك، قد يكون تحسين نسبة التيتانات الألمنيوم هو المفتاح لإطلاق إمكانياتها الكاملة. من خلال تحليل معلمات لانغموير وفرويدليش عبر نسب مختلفة، قد يتمكن الباحثون من تصميم تركيبة الغشاء المثالية، المصممة خصيصًا للتعامل مع MB عند تركيزات محددة.

لكن القصة لا تنتهي هنا. تمامًا كما يمكن لعوامل أخرى أن تؤثر على حفلة جيدة، يمكن أن تؤثر أشياء مثل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة وقوة الأيونات بشكل كبير على سلوك الامتزاز. إن دراسة تأثيرها على الإيزوثرمات لنسب مختلفة من التيتانات الألمنيوم ستضيف طبقة أخرى من الفهم إلى هذه الرقصة المعقدة.

من خلال التعمق في منحنيات الامتزاز وأخذ جميع العوامل المؤثرة بعناية، يمكن للباحثين إنشاء مركبات غشائية قوية، جاهزة للتفاعل مع MB والرقص بعيدًا بمياه الصرف الصحي الأنظف. فقط تذكر، إذا لم يكن الملوث الحقيقي هو MB، قم بتعديل التفاصيل للحصول على تفسير أكثر تخصيصًا!

استخدمت هذه الدراسة معادلات لانغموير وفرويدنيش لوصف العلاقة بين عدد جزيئات الميثيلين الأزرق الممتصة وتركيزها التوازني في المحلول عند درجة حرارة الغرفة في هذه الدراسة، مع عرض النتائج في الجدول 3.

يمكن دراسة آلية الامتزاز من خلال التحليل الديناميكي الحراري. يمكن استخدام معادلة فانت هوف، كما هو موضح في الشكل 15، لحساب ، و للامتزاز.

في هذه المعادلة، يمثل درجة الحرارة المطلقة، هو ثابت الغاز العالمي، و هو ثابت التوازن الديناميكي الحراري عند درجات حرارة مختلفة. ، مقاسة بـ ،
يمثل الطاقة الحرة لجيبس، بينما أيضًا بالكيلوجول يمثل تغيير الإنثالبي. أخيرًا، ، مقاسة بـ يمثل تغيير الإنتروبيا [35].

تكشف الجدول 4 أسرار كيفية تفاعل أغشية مركب التيتانات الألمنيوم لدينا مع ملوث عنيد، دعنا نسميه MB، عند من خلال التعمق في عالم الديناميكا الحرارية، يمكننا فهم القوى التي تحرك هذه الرقصة المعقدة.

توجد الدلالة الأولى في السلبية القيم عبر جميع تركيزات MB. مثل وعد همس، تخبرنا أن الامتزاز يحدث بشكل تلقائي عند هذه الدرجة الحرارة، مما يعني أن العملية تفضل بشكل طبيعي التصاق MB بالغشاء. لكن هناك تحول: مع انخفاض التركيز الأولي لـ MB، يصبح أقل سلبية، مما يشير إلى أن الرقصة تصبح أقل حماسًا عند التركيزات المنخفضة.

الآن، دعونا نلقي نظرة على تفاصيل الخطوات. إيجابي قيم لتركيزات أعلى من MB و ) اقترح فالسًا حيويًا عند الواجهة، مع زيادة العشوائية كلما اقتربت MB والغشاء. هذا، إلى جانب الإيجابية الكبيرة همسات من كيمياء الامتصاص القوي، حيث يتشكل احتضان قوي بين الشريكين.

لكن القصة تصبح غامضة قليلاً عند التركيزات المنخفضة. المفقود و تتركنا في الظلام بشأن طبيعة التفاعل. لفهم هذا التانغو المعقد حقًا، نحتاج إلى النوتة الكاملة – كل الـ و القيم [22].
ومع ذلك، حتى مع المعلومات المحدودة، الرسالة واضحة: هذه الأغشية المركبة تحمل وعدًا في إزالة الميثيلين الأزرق بفعالية من مياه الصرف الصحي، خاصة عند التركيزات العالية. ولكن تحسينها

يتطلب الأداء فك رموز خطوات الرقص الكاملة من خلال مزيد من التحقيق. تحليل الاتجاهات في ، و عبر تركيزات مختلفة قد تكون المفتاح لتحسين التركيبة واستهداف مستويات محددة من MB.

تذكر، أن درجة الحرارة ليست العامل الوحيد الذي يمكن أن يؤثر على هذه الرقصة. عوامل مثل الرقم الهيدروجيني، وقوة الأيونات، وضيوف الحفلة الآخرين (الملوثات) يمكن أن تؤثر أيضًا على الرقصة. دراسة تأثيرها ستكمل الصورة، مما يسمح لنا بإنشاء محاربين فعالين ومستدامين حقًا لمياه الصرف الصحي النظيفة.

لذا، مع فهم أعمق للديناميكا الحرارية ورؤية شاملة للعوامل المؤثرة، يمكننا تحسين هذه الأغشية المركبة، مما يضمن أنها تتخلص من الميثيلين الأزرق وتترك مياه الصرف الصحي لدينا نظيفة ومتألقة.

تشمل عملية امتصاص صبغة الميثيلين الأزرق (MB) على غشاء VRCNF@TAAL كل من الامتصاص على سطح الغشاء وكذلك احتجاز المسام داخل مصفوفة الغشاء.

وجود نانو السليلوز المجهري (CNF) وجزيئات نانو الألومينات التيتانية (TAAL) في مصفوفة PVC يوفر مواقع نشطة وفيرة لامتصاص MB.

يمكن أن تتفاعل مجموعات الهيدروكسيل على CNF ومواقع أكسيد المعدن على TAAL مع جزيئات MB الكاتيونية من خلال الجذب الكهروستاتيكي والروابط الكيميائية.

تبع البيانات الحركية نموذج الترتيب الزائف من الدرجة الثانية، مما يشير إلى أن الكيميائيات هي الآلية السائدة لامتصاص الميثيلين الأزرق على سطح غشاء النانو المركب.

إن دمج جزيئات CNF و TAAL ينشئ هيكلًا مساميًا داخل مصفوفة PVC، كما يتضح من صور SEM.

يمكن أن تعمل هذه المسام كقنوات لجزيئات MB للتdiffusion في مصفوفة الغشاء.

يمكن حبس جزيئات MB جسديًا داخل هذه المسام من خلال استبعاد الحجم أو الامتصاص على الأسطح الداخلية للمسام.

تشير نمذجة إيزوثيرم فروندليش إلى عملية امتصاص متعددة الطبقات، والتي يمكن أن تحدث على كل من السطح الخارجي وجدران المسام الداخلية.

تظهر غشاء VR-CNF@TAAL قدرات ترشيح فعالة لإزالة الميثيلين الأزرق من مياه الصرف الصحي من خلال مزيج من الامتزاز واستبعاد الحجم.

كما ذُكر أعلاه، يمكن لجزيئات MB أن تمتص على سطح الغشاء وداخل الهيكل المسامي، مما يساهم في إزالتها من المحلول.

تعمل البنية المسامية لغشاء النانو مركب كحاجز مادي، مما يمنع مرور جزيئات الميثيلين الأزرق الأكبر عبر مسام الغشاء.
آلية استبعاد الحجم تحكمها بشكل أساسي توزيع حجم المسام وأبعاد جزيئات الميثيلين الأزرق.

تمتلك غشاء VR/ ألياف السليلوز النانوية @ الألومينات التيتانية (VR-CNF@TAAL) خاصية فريدة من نوعها في التنظيف الذاتي بفضل دمج جزيئات الألومينات التيتانية المحبة للماء. أثناء عملية الترشيح، يمكن أن ترتبط الملوثات مثل جزيئات الصبغة بسطح الغشاء أو تسد المسام من خلال الامتزاز أو التفاعلات بين الجزيئات.
ومع ذلك، فإن وجود الألومينات التيتانية يحفز المحبة للماء في الغشاء. عندما يتم تمرير الماء فوق سطح الغشاء خلال دورات التنظيف، فإن الألفة القوية لجزيئات الماء مع الألومينات التيتانية المحبة للماء تجعل الملوثات الملتصقة تُغسل بسهولة بسبب التنافس في الارتباط. وهذا يستعيد مسارات النفاذ دون الحاجة إلى التنظيف الكيميائي.
آلية التنظيف الذاتي تنشأ نتيجة سلوك الامتزاز-التحرر المشترك للغشاء. أثناء الترشيح، يتم التقاط جزيئات الصبغة عبر الامتزاز على سطح الغشاء بما في ذلك على المواقع النشطة على جزيئات نانو الألومينات التيتانية. ومع ذلك، أثناء التنظيف بالماء، يتم إضعاف ارتباط الصبغة بالجزيئات النانوية بسبب المنافسة من ارتباط الماء بالجزيئات النانوية.
التفاعلات. هذا يسمح بإزالة الملوثات بسهولة.

وبالتالي، فإن دمج خصائص الامتزاز مع سطح هيدروفيلك ذاتي التنظيف بفضل إدخال الألومينات التيتانيوم يمنح الغشاء مقاومة عالية للتلوث وإمكانية إعادة الاستخدام. هذه الميزة الفريدة توفر مزايا على الأغشية الامتزازية التقليدية التي تتطلب تنظيفًا كيميائيًا بعد كل استخدام.

تكتسب المعركة ضد المياه الملوثة مجموعة جديدة من المحاربين مع الجدول 5، الذي يعرض أنظمة الأغشية الممتصة المختلفة المستعدة لمواجهة الملوث المزعج، الميثيل الأزرق (MB). كل نظام، مزيج فريد من المواد، يأتي مزودًا بنقاط قوته وضعفه في هذه الرقصة المعقدة من أجل مياه أنظف. VR-CNF@TAAL، بطل السعة، يقف شامخًا مع من MB المتمسكة بدروعها، تليها عن كثب ثنائية السليلوز/أكسيد الجرافين الرشيقة ( ) و المتين فريق الكربون النشط ). يبدو أن هؤلاء المحاربين مناسبون بشكل خاص لمهام إزالة الميثيلين الأزرق العالية. لكن ساحة المعركة ليست دائمًا محايدة. يفضل الكيتوزان / المونتموريلونيت ساحة خفيفة الحموضة (pH 6)، بينما يزدهر معظم الآخرين في حيادية pH 7. وهذا يبرز أهمية استكشاف العدو (الميثيلين الأزرق) وساحة المعركة (مياه الصرف الصحي). قبل اختيار المحارب المناسب. حتى مع تركيزات عالية من MB الأولية (50 جزء في المليون)، تظل هذه الأنظمة غير متأثرة، مما يظهر قدرتها على معالجة المياه الملوثة بشدة. وعلى الرغم من أن كلا من نماذج لانغموير وفرويدليش تحاولان التنبؤ بحركات الرقص، فإن انتشار نموذج لانغموير يشير إلى رقصة تانغو أكثر حميمية، حيث يتكون MB من طبقة واحدة على سطح بعض المحاربين.

لكن التانغو ليس مجرد التمسك. نموذج “الحركيات الزائفة من الدرجة الثانية” السائد يشير إلى عناق أكثر شغفًا، حيث تتشكل الروابط الكيميائية بين MB والمواد الماصة. فهم هذه الخطوات المعقدة أمر حاسم لإتقان الرقصة وزيادة كفاءة الإزالة. إذن، ماذا يعني هذا؟

من أجل مستقبل المياه النظيفة؟ VR-CNF@TAAL، السليلوز/أكسيد الجرافين، و تظهر الكربون المنشط وعدًا كحلفاء أقوياء، لكن اختيار النوع المناسب يعتمد على قوة العدو (تركيز MB) ودرجة حموضة ساحة المعركة. إن البحث الإضافي حول حركات الرقص (آليات الامتزاز) وقابلية توسيعها أمر حيوي لإنشاء جيش لتنظيف المياه جاهز لمكافحة مجموعة متنوعة من الملوثات. تذكر أن التكلفة والأثر البيئي هما أيضًا عاملان حاسمان في هذه المعركة. مع التحليل الدقيق والتحسين، يمكن أن تصبح هذه الأنظمة القائمة على الأغشية الممتزة أسلحة قوية في الحرب ضد المياه الملوثة، مما يضمن مستقبلًا أنظف وأكثر صحة للجميع.

استنادًا إلى البيانات المقدمة، أظهرت أغشية الترشيح من النانو مركب VR-CNF@TAAL إزالة فعالة للميثيلين الأزرق (MB) من مياه الصرف الصناعي. تجمع الغشاء بين الامتزاز على سطح النانو مركب واستبعاد الحجم من خلال هيكله المسامي، مما يوفر آلية مزدوجة لإزالة الصبغة بشكل فعال. تسمح الطبيعة ذاتية التنظيف للغشاء بإزالة سهلة لوكلاء التلوث، مما يمكّن من الأداء طويل الأمد ويقلل من الحاجة إلى الاستبدالات المتكررة أو العلاجات الكيميائية. تضمين تم تعديل مصفوفة VR-CNF بنجاح باستخدام الألومينات ألفا التيتانيوم (TAAL)، محققًا كفاءة قصوى لإزالة الميثيلين الأزرق. لتركيز أولي قدره 30 جزء في المليون عند pH 10. نموذج إيزوثيرم فريندليش ( ) تم وصف امتصاص MB بشكل أفضل ، وكانت حركيات الامتصاص تتبع نموذج الترتيب الثاني الزائف مع ثابت سرعة لـ غشاء TAAL. السعة القصوى للامتزاز ( تم تحديده على أنه كانت عملية الامتزاز تلقائية وماصة للحرارة، مصحوبة بزيادة في الإنتروبيا.
غشاء النانو المركب VR-CNF@TAAL يقدم حلاً اقتصاديًا وصديقًا للبيئة لإزالة الميثيلين الأزرق من مياه الصرف الصناعي، مع ميزة التنظيف الذاتي التي تعزز الاستدامة من خلال تقليل الحاجة إلى مواد تنظيف إضافية. تركيبة الغشاء، التي تستخدم ألياف السليلوز النانوية المتجددة وTAAL منخفضة التكلفة، تعزز الاستدامة وتقلل من توليد النفايات مقارنةً بالعمليات التقليدية التي تنتج كميات كبيرة من الحمأة. يجب أن تدرس الدراسات المستقبلية أداء الغشاء تحت ظروف تشغيل متغيرة، والمتانة على المدى الطويل، والاستقرار أثناء الاستخدام المستمر للتطبيقات العملية.

يُعبر المؤلفون عن تقديرهم لعمادة البحث العلمي في جامعة الملك خالد لدعمهم هذا العمل من خلال مشروع بحثي كبير تحت رقم المنحة RGP 2/296/45. يُعبر المؤلفون عن
تقدير لعمادة البحث العلمي في جامعة الحدود الشمالية، عرعر، المملكة العربية السعودية، لتمويل هذا البحث من خلال رقم المشروع “NBU-FFR-2024-1688-01.

الفكرة الأصلية: AHR، NFG، MFM. تصميم التجربة: AAE و MFM. القياس: AAE، MFM و NFG. تحليل البيانات: AAE، MFM، و AHR. إعداد المخطوطة والمراجعات: AAE، MFM، AHR، و NFG.

يُعبر المؤلفون عن تقديرهم لعمادة البحث العلمي في جامعة الملك خالد لتمويلهم هذا العمل من خلال مشروع بحثي كبير تحت رقم المنحة RGP 2/296/45. كما يُعبر المؤلفون عن تقديرهم لعمادة البحث العلمي في جامعة الحدود الشمالية، عرعر، المملكة العربية السعودية، لتمويلهم هذا البحث من خلال رقم المشروع “NBU-FFR-2024-1688-01.

تتوفر مجموعات البيانات المستخدمة والمحللة خلال الدراسة الحالية من المؤلف المراسل عند الطلب المعقول.

لا ينطبق.

غير قابل للتطبيق.

غير قابل للتطبيق.

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

تاريخ الاستلام: 27 مارس 2024 تاريخ القبول: 16 مايو 2024
نُشر على الإنترنت: 27 يونيو 2024

تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

Keywords Self-cleaning, Nanofiltration, Methylene blue, Industrial wastewater, Adsorption, Sustainable

The discharge of wastewater containing cationic dyes has become a significant environmental concern, leading to the development of sustainable and efficient methods

for their removal [31]. The result of nanofiltration membranes has gained considerable attention in recent years, offering a promising solution for the removal of pollutants from wastewater. In this study, we present a novel self-cleaning nanofiltration membrane made of microcrystalline nanocellulose and titanium aluminate nanoparticles embedded in vinyl resin (VR) for the removal of cationic dyes from wastewater [5].

Dye removal from wastewater is an important environmental challenge due to the toxicity and visibility of dye molecules. Conventional treatment methods such as coagulation, precipitation, adsorption and membrane filtration have been extensively studied for dye removal.
Adsorption using low-cost adsorbents is an attractive option due to its simplicity and high efficiency. Various
agricultural and industrial wastes have been explored as adsorbents including chitosan, peat moss, bentonite and activated carbon. However, adsorbents need to be regenerated or disposed after saturation, increasing processing costs.
Membrane filtration offers an alternative through continuous separation without regeneration. Nanocomposite membranes integrating nanomaterials into a polymer matrix have received attention due to their enhanced selectivity and antifouling properties compared to pure polymer membranes. Metal oxides such as titanium dioxide, aluminum oxide and zinc oxide are commonly used fillers to impart hydrophilicity and charged surfaces for dye adsorption.
While significant progress has been made, developing cost-effective and reusable membrane materials remains an active area of research. In this work, we build upon previous studies by synthesizing a novel PVC/microcrystalline nanocellulose@titanium aluminate membrane integrating adsorption capabilities with self-cleaning function for sustainable dye removal. The unique membrane characteristics and fouling resistance are systematically investigated.
Conventional wastewater treatment processes, such as coagulation, sedimentation, and biological treatment, are widely employed for the removal of various pollutants, including dyes. However, these processes often face limitations in effectively removing recalcitrant and persistent dyes, particularly cationic dyes like methylene blue (MB). Furthermore, these methods can generate large volumes of sludge, require extensive treatment facilities, and involve complex operations, leading to high costs and potential environmental concerns.
The novelty of our work lies in the incorporation of cellulose nano fibrils and titanium alpha aluminate nanoparticles into VR to develop a membrane with enhanced adsorption and filtration capabilities. The synthesized membrane was designed with a unique self-cleaning property that allows for the easy removal of fouling agents, thereby maintaining long-term stability and high filtration performance. We investigate the membrane’s adsorption efficiency towards cationic dye MB under various conditions, including adsorbent dosage, pH values, and dye concentrations [26].
The main contribution of our study is the successful development of a self-cleaning PVC/cellulose nanofibrils (CNF)@titanium alpha aluminate nanofiltration membrane with high efficiency in removing cationic dyes from wastewater. The membrane’s unique self-cleaning property allows for the easy removal of fouling agents, maintaining long-term stability and high filtration performance. Additionally, we explore the kinetics and isotherm models of the adsorption process, providing
insights into the behavior of the membrane and its potential applications in wastewater treatment [13].

From an industrial application point of view, the selfcleaning VR/cellulose nanofibrils @titanium alpha aluminate nanofiltration membrane has significant potential for the efficient removal of cationic dyes from wastewater in various industrial settings, such as textile, printing, and dyeing industries. The membrane’s high efficiency, stability, and reusability make it a promising candidate for large-scale industrial applications, contributing to the sustainable development of our society [34]. The use of this novel membrane material can significantly reduce the operational costs and environmental impact of dye removal from wastewater [10].

The practical consequences of our work include the potential for industrial applications and significant environmental benefits, contributing to the sustainable development of our society. The use of this novel membrane material can significantly reduce the operational costs and environmental impact of dye removal from wastewater. Moreover, the findings of this study provide valuable insights for other scientists working in the field of wastewater treatment and nanofiltration membrane development [20].

This work presents a novel approach to addressing the efficient removal of cationic dyes from wastewater through the development of a self-cleaning nanofiltration membrane. The membrane is composed of vinyl resin (VR), cellulose nanofibrils (CNF), and titanium Alpha aluminate (TAAL) nanoparticles. By incorporating CNF and TAAL into the VR matrix, a nanocomposite membrane is created with enhanced adsorption and filtration capabilities compared to conventional VR membranes.

The use of environmentally friendly and cost-effective CNF and TAAL allows the nanocomposite membrane to achieve high adsorption capacity and removal efficiency for cationic dyes, such as methylene blue. The membrane’s self-cleaning property is facilitated by the hydrophilic nature of CNF and TAAL, enabling easy removal of fouling agents and ensuring long-term filtration performance.

Extensive investigations have been conducted to understand the membrane’s adsorption behavior. Factors such as TAAL loading, pH , and initial dye concentration were studied to determine their effects on adsorption capacity and removal efficiency. The results indicate that the membrane follows the pseudo-second-order model for adsorption kinetics, suggesting a chemisorption mechanism. Additionally, the Freundlich isotherm model describes multilayer adsorption on the nanocomposite membrane surface.

Furthermore, the membrane’s potential for industrial applications in textile, printing, and dyeing industries
has been demonstrated. It offers a sustainable solution for wastewater treatment and dye removal, contributing to environmental preservation and addressing economic concerns. The unique composition, high performance, and reusability of the self-cleaning VR-CNF@TAAL nanocomposite membrane make it a promising option for efficient cationic dye removal from wastewater.

This paper aims to present a novel approach to developing a self-cleaning nanofiltration membrane using microcrystalline nanocellulose and titanium aluminate nanoparticles embedded in VR for the removal of cationic dyes from wastewater. Our study provides a comprehensive investigation of the membrane’s adsorption ability towards cationic dye MB under various conditions. The successful development of a self-cleaning VR/cellulose nanofibrils@titanium alpha aluminate nanofiltration membrane with high efficiency in removing cationic dyes from wastewater represents a significant advancement in the field of wastewater treatment. The membrane’s unique self-cleaning property, high efficiency, stability, and reusability make it a promising candidate for largescale industrial applications, contributing to the sustainable development of our society.

Vinyl resin (VR), tetrahydrofuran (THF), dimethyl formamide (DMF), sodium hydroxide ( NaOH ), titanium acetate , ammonium hydroxide , titanium chloride , and methylene blue (MB) were received from ABC Chemicals. Distilled water used in this study was obtained from a local water purification system. Other chemical products utilized included distilled water, HCl , isopropyl alcohol, and solutions acquired from ABC Chemicals. In this research project, all chemicals were of analytical grade. The agricultural wastes used as the microcrystalline cellulose source were obtained from farms in Egypt.

The adventure begins with the Tetra Pak, shredded and stripped bare. A 24-h soak in distilled water softens its defenses, followed by a high-speed blending to unlock its fibrous secrets. The resulting suspension is filtered and washed, revealing the raw cellulose beneath, free of impurities and neutral in pH . Finally, gentle drying at for a day unveils the raw cellulose, ready for its next transformation.

The raw cellulose, though liberated, still holds traces of unwanted elements. To refine it, a two-step NaOH treatment takes center stage. First, a solution bathes the cellulose at for 2 h , loosening and dissolving impurities. Neutralizing washes and filtering follow, leaving a cleaner version behind. This process repeats with a solution, further polishing the cellulose until it shines.

But there’s more to purification than just removing impurities. A final bleaching step awaits, where the cellulose encounters a solution of acetic acid and sodium chlorite at for 3 h . This powerful duo eliminates any lingering color, leaving the cellulose pristine and white, ready for its final transformation.

Now comes the moment of truth: hydrolysis. The purified cellulose faces a powerful challenger- sulfuric acid at for . This potent acid breaks down the cellulose structure into tiny fragments, laying the foundation for the nanocrystals to emerge. Once the acid’s work is done, cold water dilutes the solution, and a neutralizing bath with NaOH restores balance. The resulting suspension then undergoes centrifugation, separating the precious cellulose nanocrystals from the remaining fragments. Finally, dialysis against distilled water for a week, followed by sonication and another round of centrifugation, purifies and isolates the nanocrystals, ready for characterization [29].

The journey culminates in revealing the true nature of these microscopic wonders. Powerful techniques like XRD, FTIR, TEM, and TGA unveil their secrets. XRD analyzes their crystalline structure, FTIR explores their chemical composition, TEM provides a glimpse of their stunningly small size and shape, and TGA reveals their thermal stability as shown in Fig. 1 [33].

The fabrication and characterization of cellulose- composite film for desalination involves several materials and methods. The materials required for the process include cellulose nanofibrils (CNFs), titanium dioxide ( ) nanoparticles, deionized (DI) water, sodium alginate (SA), polyethylene glycol (PEG) as an optional additive, and calcium chloride .

The first step is the preparation of the cellulose- composite. This involves dispersing 0.5 g of CNFs in 50 mL of DI water with magnetic stirring for 1 h . Similarly, 0.25 g of nanoparticles are dispersed in 50 mL

of DI water with magnetic stirring for 1 h . The dispersion is then combined with the CNF dispersion and stirred for 1 h . In parallel, 1 g of SA is dissolved in 100 mL of DI water with stirring for 1 h . PEG can be added to the SA solution to improve film flexibility. The CNF mixture is then combined with the SA solution and stirred for an additional hour [21].
After the composite preparation, the film casting process begins. The composite mixture is cast onto a leveled glass plate and dried at for 24 h to obtain a cellulose- composite film. Crosslinking of the film is an optional step to improve its stability and salt rejection. The film can be immersed in a solution for 1 h , followed by washing with DI water and drying at for another 24 h . To evaluate the desalination performance of the film, a dead-end filtration system is set up using a feed solution. The permeate flux, which refers to the water flow rate, and the salt
rejection rate of the film are then measured. Characterization of the film can also be conducted. The morphology of the film can be analyzed using scanning electron microscopy (SEM). The surface chemistry can be studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the mechanical properties can be investigated through tensile testing. The expected outcomes of this fabrication process include enhanced hydrophilicity and water permeability of the composite film due to the presence of CNFs and . Optional crosslinking with can further improve film stability and salt rejection. It is also noted that optimizing the CNF/TiO and SA/PEG ratios can potentially enhance the desalination performance and overall film properties [17].

A composite membrane was fabricated using a phase inversion method with polyvinylidene fluoride (PVDF)
as the polymer. A PVDF solution was prepared by dissolving 15 g of PVDF pellets in 110 mL of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent and stirring for 24 h at . Titanium dioxide nanoparticles were added to the solution at and sonicated for 30 min . The polymer solution containing nanoparticles was cast onto a flat glass plate using a casting knife with a thickness as shown in Table 1. The cast film was immediately immersed in a water coagulation bath at for 10 min [27].

The membrane was then removed from the water bath, and excess water was drained. The membrane was soaked in deionized water for 48 h to remove residual solvent. The membrane thickness was measured using calipers at multiple points and averaged. The membrane surface was subjected to plasma treatment for 3 min at 30 W to introduce hydrophilic functional groups [6]. The membrane performance was evaluated in terms of water flux and dye (methylene blue) rejection. Various process parameters were varied to optimize the membrane properties, including polymer concentration, nanoparticle concentration, coagulation bath temperature, and plasma treatment time. A schematic of the composite membrane fabrication process is shown in Fig. 2.

Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to identify the functional groups present in the membrane and to confirm the incorporation of nanoparticles. The spectrum was recorded in the range of 4000 using a Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR spectrometer [2].
X-ray diffraction analysis was performed on a PANalytical Empyrean X-ray diffractometer operated at 45 kV and 40 mA with radiation ( ). The data were collected in the range of at a scanning rate of . The crystallite size was calculated from the peak broadening using the Scherrer equation [15].
The membrane surface morphology and the dispersion of nanoparticles were observed by field emission scanning electron microscopy (FESEM; Zeiss Sigma). The elemental composition of the membrane was analyzed
using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) coupled with FESEM [14].

The hydrophilicity of the membrane surface was analyzed using a contact angle goniometer. Water uptake and porosity of the membrane were measured through a conventional wet/dry weighing method [1].

The above characterization techniques were used to optimize the membrane composition and morphology for maximum [18].

0.3 g of the PVC-NC-TGAL membrane were added to 100 mL of 20 ppm methylene blue solution and agitated at 200 rpm . At specific time intervals, 4 mL aliquots were taken from the solution and centrifuged to remove membrane particles. The concentration of methylene blue in the supernatant was determined using a UV-Vis spectrophotometer at a wavelength of 664 nm [30].

The effects of several parameters on the dye adsorption capacity of the membrane were investigated:

The dye removal efficiency ( ) and adsorption capacity ( ) were calculated using the following equations:

Where and are the initial and equilibrium concentrations of methylene blue ( ), V is the volume of solution (L), and W is the mass of adsorbent (gram) [24].

The adsorption capacity of the membrane increased with increasing membrane dose, initial dye

concentration, and pH 9 . The maximum adsorption capacity of was achieved under optimal conditions [7].

The FTIR analysis showed that the nanocomposite membranes exhibited distinctive peaks of VR at 2239 , 1331, 1031, and , which are attributed to the asymmetric stretching, deformation, and CH inplane and out-plane bending vibrations respectively. PVR/CNF membrane also showed peaks at 3409 and 1688, , corresponding to the OH stretching and bending vibrations, as shown in Fig. 3a). Upon the addition of titanium aluminate, the intensity of the OH peak increased due to the formation of hydrogen bonds between the OH groups of titanium aluminate and the aldehyde groups of nanocellulose. The peaks at , and corresponding to also
increased in intensity and shifted to higher wavelengths with increasing titanium aluminate loading [32].

The XRD analysis revealed that the VR/CNF membrane showed a diffraction peak at of 17.3. The VR-CNF@ TAAL nanocomposite membranes with titanium aluminate exhibited varied crystalline peaks, indicating the homogeneous distribution of , as shown in Fig. 3b. The increase in titanium aluminate loading led to the appearance of sharp, intense peaks at of 24.13 , 25.93 , and corresponding to the different phases of . The Scherrer equation, estimated the average crystallite size to be around 100 nm , is a formula that relates the size of sub-micrometer crystallites in a solid to the broadening of a peak in a diffraction pattern. It is often referred to incorrectly, as a formula for particle size measurement or analysis. It is used in the determination of the size of crystals in the form of powder. As shown in Fig. 3c. The SEM images showed that four scanning

electron microscopy (SEM) images of membranes made from vinyl resin (VR) cellulose nanofiberlis (CNF). The membranes are labeled VR/CNF (Top left c) membrane, VR-CNF@TAAL (1%) (Top right c), VR-CNF@TAAL (3%) (Down left c), and VR-CNF@TAAL (5%) (Down right c ). The numbers in parentheses indicate the percentage of titanium alpha aluminate (TAAL) that was loaded onto the membranes. The VR/CNF membrane has a smooth, featureless surface. This is because PVC is a non-porous material, and the nanocellulose is welldispersed within the PVC matrix. The VR-CNF@TAAL ( ) membrane has a slightly rougher surface, with some small pores visible. The VR-CNF@TAAL ( ) membrane has a more porous surface, with larger pores visible. The

VR-CNF@TAAL ( ) (membrane has the most porous surface, with very large pores visible. The increase in porosity with increasing TAAL loading is due to the fact that TAAL is a hydrophilic material, meaning that it attracts water. When TAAL is loaded onto the membrane, it creates spaces between the VR and CNF fibers. These spaces fill with water, which creates pores in the membrane. The porosity of the membrane has a significant impact on its properties. For example, a more porous membrane will allow more water to pass through it, but it will also be less effective at filtering out contaminants. The choice of membrane porosity will therefore depend on the specific application. The SEM analysis shows that the loading of titanium aluminate has a significant impact
on the porosity of VR/CNF membranes. The porosity of the membrane increases with increasing TAAL loading. This is because TAAL is a hydrophilic material that creates spaces between the VR and CNF fibers. The porosity of the membrane has a significant impact on its properties, such as its water permeability and filtration efficiency as shown in Fig. 3c [3].

The figure provided, which is Fig. 3, presents the performance of four different membrane composites at various concentrations (ppm). Upon analyzing the data, it is evident that all four composites show an increase in performance with increasing concentration. However, the rate of increase and the maximum performance achieved differ between the composites. Starting with the VRCNF@TAAL composite, it exhibits a steady rise in performance as the concentration increases. Beginning at a performance level of 14.5 at 1 ppm , it reaches an impressive 84.5 at 5 ppm . This indicates a strong positive correlation between concentration and performance for this composite.
Similarly, the 3% VR-CNF@TAAL composite also demonstrates a positive correlation between concentration and performance. However, it begins at a higher initial performance level of 24.5 at 1 ppm and reaches 74.5 at 5 ppm .
In contrast, the 1% VR-CNF@TGAL composite starts with the lowest performance level of 4.5 at 1 ppm . Nevertheless, as the concentration increases, its performance shows significant improvement, reaching 64.5 at 5 ppm . Lastly, the VR/CNF composite begins at a performance
level of 4.5 at 1 ppm and gradually increases to 44.5 at 5 ppm . Although the performance increase is consistent, it is less steep compared to the other composites.

In summary, all four composites demonstrate an increase in performance with increasing concentration. However, the rate and extent of performance improvement vary among the composites. The 5% VR-CNF@ TAAL composite exhibits the highest performance at 5 ppm , while the VR/CNF composite shows the lowest performance. These differences can be attributed to the distinct properties of each composite and their interactions with the substance at different concentrations as shown in Fig. 4 [25].

The provided table presents the performance (R%) of four different membrane composites at varying doses. A discussion of the findings reveals interesting insights into the effectiveness of these composites at different dose levels. Among the composites, the 5% VR-CNF@ TAAL composite demonstrates the highest performance at a specific dose, with an of 120 . This indicates that this particular composite is most effective compared to the others. It achieves superior results, suggesting that the presence of VR-CNF@TAAL in a higher percentage enhances the composite’s performance.

In comparison, the VR-CNF@TAAL composite exhibits an of 100 at the same dose. While it is less effective than the VR-CNF@TAAL composite, it outperforms both the 1% VR-CNF@TAAL and PVC/CNC composites. This indicates that a moderate percentage of VR-CNF@TAAL still contributes to significant performance improvements.

The 1% VR-CNF@TAAL composite, at the specific dose considered, shows an R% of 80. Although it is less effective than the and VR-CNF@TAAL composites, it still demonstrates better performance than the VR/CNF composite. This suggests that even a lower percentage of VR-CNF@TAAL can contribute to some level of improvement in performance.
Among the four composites, the VR/CNF composite exhibits the lowest performance, with an of 60 at the same dose. It is the least effective of the group, indicating that the absence of VR-CNF@TAAL significantly impacts the composite’s performance.
In summary, the effectiveness of these membrane composites varies with the dose levels. The composites with higher percentages of VR-CNF@TAAL demonstrate superior performance, while those with lower percentages or without this component exhibit lower effectiveness. This suggests that VR-CNF@TAAL plays a crucial role in enhancing the effectiveness of these composites. However, it is important to consider other factors, such as specific usage conditions and the properties of the substance being treated, as they may also influence the overall performance of the composites as shown in Fig. 5 [11].

The adsorption of methylene blue ( MB ) onto the membrane was investigated through kinetic modeling using both pseudo-first-order and pseudo-second-order
models. Table 2 summarizes the calculated kinetic parameters for different MB concentrations ( , and ). Key observations reveal a clear preference for the pseudo-second-order model, evidenced by its consistently higher values compared to the pseudo-firstorder model. This suggests that chemisorption, involving electron sharing and valence forces, dominates the adsorption process. Additionally, higher initial MB concentrations yielded increased experimental adsorption capacity ( , Exp), indicating a stronger driving force for adsorption at higher dye concentrations. Importantly, the calculated , Cal values from the pseudo-second-order model closely matched the , Exp values, further validating its suitability. These findings hold significant implications. Firstly, the high qe, Exp values, especially at higher MB concentrations, suggest the membrane possesses promising potential for efficient removal of MB from wastewater. Furthermore, the dominance of the pseudo-second-order model implies that chemisorption plays a crucial role, potentially leading to stronger binding and higher removal efficiency. Finally, understanding the adsorption kinetics is essential for designing and optimizing adsorption systems, allowing for the determination of optimal contact time and prediction of adsorption rates under various conditions. However, further investigation is necessary. Exploring the influence of other factors like pH , temperature, and ionic strength on the adsorption kinetics would provide a more comprehensive understanding of the process. Additionally, assessing the

membrane’s regeneration potential is crucial for evaluating its long-term performance and economic feasibility in practical applications [9].

The adsorption of methylene blue ( MB ) onto the membrane was investigated through kinetic modeling using both pseudo-first-order and pseudo-second-order models. Table 2 summarizes the calculated kinetic parameters for different MB concentrations ( , and ). Key observations reveal a clear preference for the pseudo-second-order model, evidenced by its consistently higher values compared to the pseudo-first-order model. This suggests that chemisorption, involving electron sharing and valence forces, dominates the adsorption process. Additionally, higher initial MB concentrations yielded increased experimental adsorption capacity ( , Exp), indicating a stronger driving force for adsorption at higher dye concentrations. Importantly, the calculated qe, Cal values from the pseudo-second-order model
closely matched the , Exp values, further validating its suitability [12].

The calculated values of (rate constant) for the pseudo-second-order model were found to be , and for the , and membrane ratios, respectively. The calculated values of (equilibrium adsorption capacity) using the pseudo-second-order model ranged from to for the different membrane ratios as shown in Fig. 5S1, 6S2 and Table 2. These results indicate that the adsorption of MB onto the prepared membranes follows a chemisorption mechanism [28]. These findings hold significant implications. Firstly, the high , Exp values, especially at higher MB concentrations, suggest the membrane possesses promising potential for efficient removal of MB from wastewater. Furthermore, the dominance of the pseudo-second-order model implies that chemisorption plays a crucial role, potentially leading to stronger binding and higher removal efficiency.

Finally, understanding the adsorption kinetics is essential for designing and optimizing adsorption systems, allowing for the determination of optimal contact time and prediction of adsorption rates under various conditions. However, further investigation is necessary. Exploring the influence of other factors like pH , temperature, and ionic strength on the adsorption kinetics would provide a more comprehensive understanding of the process. Additionally, assessing the membrane’s regeneration potential is crucial for evaluating its long-term performance and economic feasibility in practical applications [16].

Decoding the Adsorption Behavior of Membrane Composites: Insights from Isotherm Analysis.
Table 3 offers a glimpse into the adsorption capacities of different membrane composites containing varying ratios of aluminum titanate, as they grapple with a tenacious contaminant (let’s call it MB for now). Both Langmuir and Freundlich models hold our hands through this investigation, providing crucial details about the interaction between the membrane and MB at different concentrations.
The values, hovering above 0.90 across the board, paint a reassuring picture. Both models seem to be comfortable describing the dance between the membrane and MB. However, subtle nuances emerge as we delve deeper. At higher concentrations, Langmuir seems to take the lead, suggesting a well-defined, single-layer adsorption on the membrane’s surface. But as the concentration dips, Freundlich steps forward, hinting at a more complex, multilayered interaction [23]. The adsorption capacity, like a hungry guest, increases its appetite with every rising concentration of MB. This holds true for both models, indicating a stronger attraction between the membrane and MB at higher densities.
Now, the million-dollar question: how does the aluminum titanate ratio dance in this intricate scene? Unfortunately, without specific ratios in the table, we’re left in the dark. However, by analyzing the Langmuir and Freundlich parameters across different concentrations for each model, we might stumble upon clues about the impact of

this mysterious ingredient on the membrane’s surface and its tango with MB .

The high adsorption capacities, especially at higher concentrations, whisper promises of these membrane composites being effective warriors against MB pollution in wastewater. But to truly understand their strengths and weaknesses, we need to dig deeper. Using more isotherm models and studying the adsorption kinetics can unveil the secrets of their dance with MB , revealing the dominant mechanisms and the steps that control their tempo [8].

Furthermore, optimizing the aluminum titanate ratio could be the key to unlocking their full potential. By analyzing the Langmuir and Freundlich parameters across different ratios, researchers might craft the perfect membrane composition, tailor-made for tackling MB at specific concentrations.

But the story doesn’t end there. Just like other factors can influence a good party, things like pH , temperature, and ionic strength can significantly impact the adsorption behavior. Studying their effect on the isotherms for different aluminum titanate ratios would add another layer of understanding to this intricate dance.

By delving deeper into the adsorption isotherms and meticulously considering all the influencing factors, researchers can create powerful membrane composites, ready to tango with MB and waltz away with cleaner wastewater. Just remember, if the real contaminant isn’t MB, adjust the details for an even more personalized interpretation! [4].

This study used the Langmuir and Freundlich isotherms to characterize the connection between the number of MB adsorbed and its equilibrium concentration in solution at room temperature in this study, with the findings shown in Table 3.

The mechanism of adsorption can be studied through thermodynamic analysis. The Vant Hoffer equation, as illustrated in Fig. 15, can be used to calculate , and for adsorption.

In this equation, represents the absolute temperature, is the universal gas constant, and is the thermodynamic equilibrium constant at different temperatures. , measured in ,
represents the Gibbs’ free energy, while , also in kJ , represents the enthalpy change. Finally, , measured in , represents the entropy change [35].

Table 4 unveils the secrets of how our aluminum titanate composite membranes tango with a tenacious contaminant, let’s call it MB , at . By peering into the world of thermodynamics, we can understand the forces that drive this intricate dance.

The first clue lies in the negative values across all MB concentrations. Like a whispered promise, they tell us that adsorption is spontaneous at this temperature, meaning the process naturally favors MB clinging to the membrane. But there’s a twist: as the initial MB concentration dips, becomes less negative, hinting that the dance becomes less enthusiastic at lower concentrations.

Now, let’s peek into the details of the steps. Positive values for higher MB concentrations ( and ) suggest a lively waltz at the interface, with randomness increasing as MB and the membrane get closer. This, along with the hefty positive , whispers of a passionate chemisorption, where a strong embrace forms between the two partners.

But the story gets a little murky at lower concentrations . The missing and leave us in the dark about the nature of the interaction. To truly understand this intricate tango, we need the full score-all the and values [22].
However, even with limited information, the message is clear: these composite membranes hold promise for effectively whisking away MB from wastewater, especially at higher concentrations. But optimizing their

performance requires deciphering the complete dance steps through further investigation. Analyzing trends in , and across different concentrations could be the key to perfecting the composition and targeting specific MB levels.

Remember, temperature isn’t the only factor that can influence this tango. Factors like pH , ionic strength, and other party guests (pollutants) can also sway the dance. Studying their impact would complete the picture, allowing us to create truly efficient and sustainable warriors for cleaner wastewater.

So, with a deeper understanding of thermodynamics and a holistic view of the influencing factors, we can finetune these composite membranes, ensuring they waltz away with MB and leave our wastewater sparkling clean [19].

The adsorption of methylene blue (MB) dye onto the VRCNF@TAAL membrane involves both adsorption on the membrane surface as well as pore entrapment within the membrane matrix.

The presence of microcrystalline nanocellulose (CNF) and titanium gamma aluminate (TAAL) nanoparticles in the PVC matrix provides abundant active sites for MB adsorption.

The hydroxyl groups on CNF and the metal oxide sites on TAAL can interact with the cationic MB molecules through electrostatic attractions and chemical bonding.

The kinetic data followed the pseudo-second-order model, indicating that chemisorption is the dominant mechanism for MB adsorption on the nanocomposite membrane surface.

The incorporation of CNF and TAAL nanoparticles creates a porous structure within the PVC matrix, as evidenced by the SEM images.

These pores can act as channels for MB molecules to diffuse into the membrane matrix.

The MB molecules can be physically trapped within these pores through size exclusion or adsorbed onto the internal surfaces of the pores.

The Freundlich isotherm model fitting suggests a multilayer adsorption process, which can occur both on the external surface and internal pore walls.

The VR-CNF@TAAL membrane exhibits effective filtration capabilities for MB removal from wastewater through a combination of adsorption and size exclusion.

As mentioned above, the MB molecules can adsorb onto the membrane surface and within the porous structure, contributing to their removal from the solution.

The porous structure of the nanocomposite membrane acts as a physical barrier, preventing the passage of larger MB molecules through the membrane pores.
The size exclusion mechanism is primarily governed by the pore size distribution and the molecular dimensions of the MB molecules.

The synthesized VR/ cellulose nano fibrils @titanium alpha aluminate (VR-CNF@TAAL) membrane possesses a unique self-cleaning property due to the incorporation of hydrophilic titanium aluminate nanoparticles. During filtration, foulants such as dye molecules can attach to the membrane surface or clog the pores via adsorption or intermolecular interactions.
However, the presence of titanium aluminate induces hydrophilicity in the membrane. When water is passed over the membrane surface during cleaning cycles, the strong affinity of water molecules for the hydrophilic titanium aluminate causes the attached foulants to be easily washed away due to competitive binding. This restores the permeation pathways without requiring chemical cleaning.
The self-cleaning mechanism arises due to the combined adsorption-desorption behavior of the membrane. During filtration, dye molecules are captured via adsorption onto the membrane surface including onto active sites on the titanium aluminate nanoparticles. However, during cleaning with water, the dye-nanoparticle binding is weakened due to competition from water-nanoparticle
interactions. This allows for easy desorption and removal of the foulants.

Thus, the coupling of adsorption properties with a hydrophilic, self-cleaning surface enabled by titanium aluminate incorporation endows the membrane with high fouling resistance and reusability. This unique feature offers advantages over conventional adsorptive membranes that require chemical cleaning after every use.

The battle against polluted water gets a new set of warriors with Table 5, showcasing different adsorptionmembrane systems ready to tango with the pesky contaminant, Methyl Blue (MB). Each system, a unique blend of materials, comes armed with its own strengths and weaknesses in this intricate dance for cleaner water. VR-CNF@TAAL, the champion of capacity, stands tall with a hefty of MB clinging to its armor, followed closely by the nimble Cellulose/Graphene Oxide duo ( ) and the sturdy Activated Carbon team ( ). These warriors seem particularly suited for high MB removal missions.But the battlefield isn’t always neutral. Chitosan/Montmorillonite prefers a slightly acidic arena ( pH 6 ), while most others thrive in the neutrality of pH 7 . This highlights the importance of scouting the enemy (MB) and the battlefield (wastewater before choosing the right warrior. Even with high initial MB concentrations ( 50 ppm ), these systems remain undaunted, showcasing their potential for tackling even heavily polluted waters. And while both Langmuir and Freundlich models try to predict the dance moves, the prevalence of Langmuir suggests a more intimate tango, with MB forming a single layer on the surface of some warriors.

But the tango isn’t just about clinging on. The dominant “Pseudo-second-order kinetics” model hints at a more passionate embrace, where chemical bonds form between MB and the adsorbent. Understanding these intricate steps is crucial for perfecting the dance and maximizing removal efficiency. So, what does this mean

for the future of clean water? VR-CNF@TAAL, Cellulose/Graphene Oxide, and Activated Carbon show promise as powerful allies, but choosing the right one depends on the enemy’s strength ( MB concentration) and the battlefield’s pH . Further research on the dance moves (adsorption mechanisms) and their scalability is vital for creating a water-cleaning army ready to combat a variety of pollutants. Remember, cost and environmental impact are also crucial factors in this battle. With careful analysis and optimization, these adsorption-membrane systems can become potent weapons in the war against polluted water, ensuring a cleaner, healthier future for all.

Based on the presented data, the VR-CNF@TAAL nanocomposite filtration membranes demonstrated effective removal of methylene blue (MB) from industrial wastewater. The membrane combines adsorption onto the nanocomposite surface and size exclusion through its porous structure, providing a dual mechanism for effective dye removal. The self-cleaning nature of the membrane allows for easy removal of fouling agents, enabling long-term performance and reducing the need for frequent replacements or chemical treatments. The incorporation of titanium alpha aluminate (TAAL) successfully modified the VR-CNF matrix, achieving a maximum MB removal efficiency of for an initial concentration of 30 ppm at pH 10 . The Freundlich isotherm model ( ) best described the adsorption of MB , and the adsorption kinetics followed the pseudo-second-order model with a rate constant of for the TAAL membrane. The maximum adsorption capacity ( ) was determined to be . The adsorption process was spontaneous and endothermic, accompanied by an increase in entropy.
The VR-CNF@TAAL nanocomposite membrane offers an economically and environmentally friendly solution for the removal of MB from industrial wastewater, with a self-cleaning feature that enhances sustainability by reducing the need for additional cleaning chemicals. The membrane’s composition, utilizing renewable CNF and low-cost TAAL, promotes sustainability and minimizes waste generation compared to conventional processes that generate large volumes of sludge Future studies should investigate the membrane’s performance under varying operating conditions, long-term durability, and stability during continuous use for practical applications.

The authors extend their appreciation to the deanship of Scientific Research at King Khalid University for funding this work through a large research project under Grant number RGP 2/296/45. The authors extend their
appreciation to the Deanship of Scientific Research at Northern Border University, Arar, KSA for funding this research work through the project number “NBU-FFR-2024-1688-01.

Original idea: AHR, NFG, MFM. Experiment Design: AAE and MFM. Measurement: AAE, MFM and NFG. Data analysis: AAE, MFM, and AHR Manuscript preparation and revisions: AAE, MFM, AHR, and NFG.

The authors extend their appreciation to the deanship of Scientific Research at King Khaled University for funding this work through a large research project under grant number RGP 2/296/45. The authors extend their appreciation to the Deanship of Scientific Research at Northern Border University, Arar, KSA for funding this research work through the project number “NBU-FFR-2024-1688-01.

The datasets used and analyzed during the current study are available from the corresponding author upon reasonable request.

Is not applicable.

Not applicable.

Is not applicable.

The authors declare no competing interests.

Received: 27 March 2024 Accepted: 16 May 2024
Published online: 27 June 2024

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.