DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-024-01211-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38937828
تاريخ النشر: 2024-06-27
المؤلف: Ahmed H. Ragab وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير غشاء نانوترشيح ذاتي التنظيف، يتكون من راتنج الفينيل (VR)، ألياف السليلوز النانوية (CNF)، وجزيئات نانو أكسيد الألمنيوم التيتانيوم (TAAL)، بهدف إزالة صبغة الميثيلين الأزرق (MB) الكاتيونية بشكل فعال من مياه الصرف الصناعي. تم تقييم أداء الغشاء تحت ظروف متغيرة، مع تحقيق كفاءة إزالة ملحوظة تبلغ 98.6% عند تركيز أولي من MB يبلغ 30 جزء في المليون ودرجة حموضة 10، باستخدام تحميل TAAL بنسبة 5 وزن%. تم وصف حركيات الامتصاص بواسطة نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى آلية كيميائية، مع ثابت معدل يبلغ \(1.2732 \times 10^{-3} \, \text{g mg}^{-1} \text{min}^{-1}\). قدم نموذج إيزوثيرم فريدلش ملاءمة أفضل (R² = 0.996)، مما يشير إلى امتصاص متعدد الطبقات على سطح الغشاء.
تشير النتائج إلى أن غشاء VR-CNF@TAAL لا يزيل MB بشكل فعال من خلال آلية مزدوجة من الامتصاص واستبعاد الحجم فحسب، بل يتميز أيضًا بخصائص ذاتية التنظيف تعزز استدامته من خلال تقليل الحاجة إلى المعالجات الكيميائية والاستبدالات المتكررة. تم تحديد السعة القصوى للامتصاص لتكون 125.8 ملغ/غ، مع كون العملية تلقائية وماصة للحرارة، مصحوبة بزيادة في الإنتروبيا. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانات الغشاء كحل اقتصادي وصديق للبيئة لمعالجة مياه الصرف، داعية إلى مزيد من التحقيقات في متانته وأدائه على المدى الطويل تحت ظروف تشغيلية متغيرة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية البيئية الملحة لمياه الصرف التي تحتوي على صبغات كاتيونية، مما يبرز الحاجة إلى طرق إزالة مستدامة وفعالة. يقترح المؤلفون غشاء نانوترشيح ذاتي التنظيف يتكون من السليلوز النانوي الميكروكريستالي وجزيئات نانو أكسيد الألمنيوم المدمجة في راتنج الفينيل (VR). يهدف هذا الغشاء إلى تعزيز كفاءة إزالة الصبغات الكاتيونية، مثل الميثيلين الأزرق (MB)، مع التغلب على قيود طرق المعالجة التقليدية، التي غالبًا ما تنتج الحمأة وتتكبد تكاليف تشغيل عالية.
تؤكد الدراسة على خاصية الغشاء الفريدة ذاتية التنظيف، التي تسهل إزالة عوامل التلوث، مما يحافظ على الاستقرار على المدى الطويل وأداء الترشيح العالي. يحقق المؤلفون في كفاءة امتصاص الغشاء تحت ظروف متنوعة، بما في ذلك جرعة الممتز، ودرجة الحموضة، وتركيزات الصبغة، ويجدون أنه يتبع نموذج حركي من الدرجة الثانية الزائفة وإيزوثيرم فريدلش للامتصاص. تشير النتائج إلى أن هذا الغشاء المبتكر لا يقدم فقط حلاً فعالاً من حيث التكلفة لإزالة الصبغات في التطبيقات الصناعية، لا سيما في قطاعات النسيج والصباغة، ولكنه يساهم أيضًا في الاستدامة البيئية من خلال تقليل التكاليف التشغيلية والأثر البيئي المرتبط بمعالجة مياه الصرف.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في تخليق أفلام مركب السليلوز-TiO₂ لإزالة الملح. تشمل المواد المستخدمة راتنج الفينيل، ومذيبات متنوعة (THF، DMF)، ومركبات التيتانيوم، وسليلوز ميكروكريستالي مشتق من النفايات الزراعية. تبدأ عملية التخليق بتشتت ألياف السليلوز النانوية (CNFs) وجزيئات نانو أكسيد التيتانيوم (TiO₂) في الماء منزوع الأيونات، تليها دمجها مع محلول ألجينات الصوديوم (SA)، مع تعزيز اختياري باستخدام بولي إيثيلين جلايكول (PEG) لتحسين المرونة. يتم صب الخليط المركب الناتج على لوحة زجاجية وتجفيفه لتشكيل فيلم، مع خطوة ربط عرضية اختيارية باستخدام كلوريد الكالسيوم (CaCl₂) لتعزيز الاستقرار ورفض الملح.
لتقييم أداء إزالة الملح للفيلم المركب، يتم استخدام نظام ترشيح مغلق مع محلول تغذية NaCl بنسبة 3.5 وزن%، مع قياس كل من تدفق النفاذ ومعدلات رفض الملح. يتم استخدام تقنيات التصنيف مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وطيف الكترون الأشعة السينية (XPS) لتحليل مورفولوجيا الفيلم وكيمياء سطحه، بينما يتم تقييم خصائصه الميكانيكية من خلال اختبار الشد. تشمل النتائج المتوقعة تحسين المحبة للماء ونفاذية الماء بسبب إدماج CNFs وTiO₂، مع تحسين إضافي لنسب المواد قد يعزز فعالية إزالة الملح وخصائص الفيلم بشكل عام.
مناقشة
تناقش الورقة البحثية إعداد وتوصيف السليلوز النانوي المشتق من النفايات الزراعية، وتحديدًا تيترا باك، وتطبيقه في الأغشية المركبة لامتصاص الصبغات. تتضمن عملية الإعداد عدة مراحل: النقع الأولي وخلط المادة الخام لاستخراج السليلوز، تليها التنقية باستخدام علاجات NaOH والتبييض باستخدام حمض الأسيتيك وكلوريت الصوديوم. ثم ينتج التحلل المائي باستخدام حمض الكبريتيك بلورات السليلوز النانوية، والتي يتم توصيفها باستخدام تقنيات مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، والتحليل الحراري الوزني (TGA).
تم تقييم الأغشية المركبة المصنعة، المصنوعة من فلوريد البولي فينيليدين (PVDF) وجزيئات نانو أكسيد التيتانيوم، لأدائها في امتصاص الصبغات، وتحديدًا الميثيلين الأزرق (MB). وجدت الدراسة أن سعة الامتصاص للأغشية زادت مع ارتفاع تركيزات الصبغة الأولية وجرعات الغشاء، حيث حقق المركب VR-CNF@TAAL بنسبة 5% سعة امتصاص قصوى تبلغ 50.3 ملغ/غ تحت ظروف مثالية. أشارت النمذجة الحركية إلى أن عملية الامتصاص اتبعت نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى آلية كيميائية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات الديناميكية الحرارية أن الامتصاص كان تلقائيًا ويفضل عند التركيزات الأعلى، مع تغييرات إيجابية في الإنتروبيا والإنثالبي تشير إلى تفاعل قوي بين الصبغة والغشاء. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانات هذه الأغشية القائمة على السليلوز النانوي لتطبيقات معالجة مياه الصرف الفعالة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-024-01211-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38937828
Publication Date: 2024-06-27
Author(s): Ahmed H. Ragab et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
This study presents the development of a self-cleaning nanofiltration membrane, composed of vinyl resin (VR), cellulose nanofibrils (CNF), and titanium alpha aluminate (TAAL) nanoparticles, aimed at effectively removing the cationic dye methylene blue (MB) from industrial wastewater. The membrane’s performance was evaluated under varying conditions, with a notable 98.6% removal efficiency achieved at an initial MB concentration of 30 ppm and pH 10, utilizing a 5 wt% TAAL loading. The adsorption kinetics were characterized by a pseudo-second-order model, indicating a chemisorption mechanism, with a rate constant of \(1.2732 \times 10^{-3} \, \text{g mg}^{-1} \text{min}^{-1}\). The Freundlich isotherm model provided a superior fit (R² = 0.996), suggesting multilayer adsorption on the membrane surface.
The findings indicate that the VR-CNF@TAAL membrane not only effectively removes MB through a dual mechanism of adsorption and size exclusion but also features self-cleaning properties that enhance its sustainability by minimizing the need for chemical treatments and frequent replacements. The maximum adsorption capacity was determined to be 125.8 mg/g, with the process being spontaneous and endothermic, accompanied by an increase in entropy. This research highlights the membrane’s potential as an economically viable and environmentally friendly solution for wastewater treatment, advocating for further investigations into its long-term durability and performance under varying operational conditions.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing environmental issue of wastewater containing cationic dyes, highlighting the need for sustainable and effective removal methods. The authors propose a novel self-cleaning nanofiltration membrane composed of microcrystalline nanocellulose and titanium aluminate nanoparticles embedded in vinyl resin (VR). This membrane aims to enhance the removal efficiency of cationic dyes, such as methylene blue (MB), while overcoming the limitations of conventional treatment methods, which often generate sludge and incur high operational costs.
The study emphasizes the membrane’s unique self-cleaning property, which facilitates the removal of fouling agents, thereby maintaining long-term stability and high filtration performance. The authors investigate the membrane’s adsorption efficiency under various conditions, including adsorbent dosage, pH, and dye concentrations, and find that it adheres to a pseudo-second-order kinetic model and a Freundlich isotherm for adsorption. The findings suggest that this innovative membrane not only offers a cost-effective solution for dye removal in industrial applications, particularly in the textile and dyeing sectors, but also contributes to environmental sustainability by reducing the operational costs and ecological impact associated with wastewater treatment.
Methods
In this section, the methods employed for synthesizing cellulose-TiO₂ composite films for desalination are detailed. The materials used include vinyl resin, various solvents (THF, DMF), titanium compounds, and agricultural waste-derived microcrystalline cellulose. The synthesis process begins with the dispersion of cellulose nanofibrils (CNFs) and titanium dioxide (TiO₂) nanoparticles in deionized water, followed by their combination with a sodium alginate (SA) solution, optionally enhanced with polyethylene glycol (PEG) for improved flexibility. The resulting composite mixture is cast onto a glass plate and dried to form a film, with an optional crosslinking step using calcium chloride (CaCl₂) to enhance stability and salt rejection.
To assess the desalination performance of the composite film, a dead-end filtration system is utilized with a 3.5 wt% NaCl feed solution, measuring both permeate flux and salt rejection rates. Characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) are employed to analyze the film’s morphology and surface chemistry, respectively, while tensile testing evaluates its mechanical properties. The anticipated outcomes include improved hydrophilicity and water permeability due to the incorporation of CNFs and TiO₂, with further optimization of material ratios potentially enhancing desalination efficacy and overall film characteristics.
Discussion
The research paper discusses the preparation and characterization of nanocellulose derived from agricultural waste, specifically Tetra Pak, and its application in composite membranes for dye adsorption. The preparation process involves several stages: initial soaking and blending of the raw material to extract cellulose, followed by purification using NaOH treatments and bleaching with acetic acid and sodium chlorite. Hydrolysis with sulfuric acid then produces cellulose nanocrystals, which are characterized using techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM), and thermogravimetric analysis (TGA).
The fabricated composite membranes, made from polyvinylidene fluoride (PVDF) and titanium dioxide nanoparticles, were evaluated for their performance in dye adsorption, specifically methylene blue (MB). The study found that the adsorption capacity of the membranes increased with higher initial dye concentrations and membrane doses, with the 5% VR-CNF@TAAL composite achieving a maximum adsorption capacity of 50.3 mg/g under optimal conditions. Kinetic modeling indicated that the adsorption process followed a pseudo-second-order model, suggesting a chemisorption mechanism. Additionally, thermodynamic analysis revealed that the adsorption was spontaneous and favored at higher concentrations, with positive changes in entropy and enthalpy indicating a strong interaction between the dye and the membrane. Overall, the findings highlight the potential of these nanocellulose-based membranes for effective wastewater treatment applications.