DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39047-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41703069
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: Irfan Yousaf وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
تقدم البحث غشاءً نانويًا مركبًا (TFN) مصممًا هندسيًا يتضمن UiO-66-NH₂ (GMA-UiO-66) المضاف إليه جليكيدي الميثاكريلات في طبقة بولياميد انتقائية، بهدف تعزيز فصل المعادن الثقيلة. يتناول الدراسة القيود الشائعة المتعلقة بتوافق الحشوات الضعيف مع البوليمر والعيوب السطحية من خلال استخدام وظيفة GMA لتحسين دمج الحشوة داخل مصفوفة البوليميد، بدلاً من مجرد زيادة المسامية أو المحبة للماء. تؤكد تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وتحليل برونور-إيميت-تيلر (BET) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن تعديل GMA يحافظ على بلورية UiO-66 بينما يقلل قليلاً من المساحة السطحية والمسامية، ويزيد من زاوية الاتصال بسبب التغيرات في كيمياء السطح.
تحت ظروف الترشيح النانوي المغلق، يظهر غشاء GMA-UiO-66 TFN معدلات رفض مثيرة للإعجاب تصل إلى 97% للرصاص (Pb²⁺) و93% للزرنيخ، مع الحفاظ على تدفق مائي مستقر. بالمقارنة، تظهر الأغشية الضابطة معدلات رفض أقل (94% للرصاص (Pb(II) و92% للزرنيخ (As(V) بالنسبة لغشاء TFN المحسن UiO-66-NH₂، و75% للرصاص (Pb(II) و70% للزرنيخ (As(V) بالنسبة لغشاء الفيلم النقي المركب). تشير هذه النتائج إلى فعالية الغشاء في تقليل تركيزات المعادن الثقيلة بشكل كبير، حتى عند تركيزات تغذية مرتفعة. تشير النتائج إلى أن UiO-66 المضاف إليه GMA يمثل منصة واعدة للهندسة السطحية في أغشية TFN، مما يوفر أساسًا آليًا للبحث المستقبلي الذي يركز على تعزيز الاستقرار ومقاومة التلوث والدمج في أنظمة المعالجة متعددة المراحل لإزالة المعادن الثقيلة بشكل فعال.
مقدمة
تسلط مقدمة البحث الضوء على القضية الملحة المتعلقة بنقص المياه العذبة التي تفاقمت بسبب النمو السكاني، والتصنيع، والتلوث الناتج عن المعادن الثقيلة السامة مثل الزرنيخ (As) والرصاص (Pb). تشكل هذه المعادن، التي لا تتحلل بيولوجيًا، مخاطر صحية كبيرة، بما في ذلك أنواع مختلفة من السرطان نتيجة التعرض للزرنيخ واضطرابات عصبية نتيجة التعرض للرصاص، مما يستدعي تقنيات إزالة فعالة في معالجة مياه الصرف. على الرغم من أن الطرق التقليدية قادرة على تقليل تركيزات المعادن، إلا أنها غالبًا ما تتضمن استخدام كيميائيات عالية وتوليد الحمأة، مما يدفع إلى استكشاف عمليات الفصل المعتمدة على الأغشية، وخاصة الترشيح النانوي (NF). يُلاحظ أن NF فعالة في إزالة المعادن الثقيلة مع الاحتفاظ بالمعادن المفيدة، مما يجعلها خيارًا مفضلًا لمعالجة مياه الصرف.
تناقش الورقة أيضًا التقدم في أغشية الفيلم النانوي المركب (TFC)، التي تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات NF بسبب تدفقها العالي وقدراتها على رفض الملوثات. ومع ذلك، تواجه أغشية TFC تحديات مثل التوازن بين النفاذية والانتقائية، والضعف أمام التلوث، والحساسية للظروف القاسية. لمعالجة هذه القيود، تم تطوير أغشية الفيلم النانوي المركب (TFN)، التي تتضمن حشوات نانوية مثل الهياكل العضوية المعدنية (MOFs) لتعزيز الأداء دون المساس بالانتقائية. من بين هذه، يُبرز UiO-66، وهو MOF قائم على الزركونيوم، لاستقراره في الماء وقدرته على تحسين أداء الغشاء بشكل كبير، كما يتضح من الدراسات التي تظهر زيادة في نفاذية الماء والحفاظ على رفض الملح عند دمجه في أغشية البوليميد.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، كانت جميع المواد الكيميائية المستخدمة من الدرجة التحليلية وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تضمنت المواد الرئيسية حمض 2-أمينوتيريفثال (99%) من سيغما-ألدريتش وكلوريد الزركونيوم (IV) (ZrCl₄) (99.5%) من TCI، والتي كانت ضرورية لتخليق NH₂-UiO-66. تم الحصول على مذيب التفاعل، N,N-ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF) (99.8%)، من RCI LabScan. لتعديل الإطار العضوي المعدني (MOF) بعد التخليق، تم استخدام جليكيدي الميثاكريلات (GMA) (97%) من ماكلين، بالإضافة إلى كلوروفورم (99%) من فيشر ساينتيفيك وتيتراهيدروفوران (THF) (99%) من DAEJUNG Chemicals لعمليات الوظيفة والغسل.
بالإضافة إلى ذلك، لتصنيع أغشية الفيلم المركب (TFC) وأغشية الفيلم النانوي المركب (TFN)، تم الحصول على بولي أكريلونيتريل (PAN) وميتا-فينيلينديامين (MPD) وكلوريد الترايميسويل (TMC) من سيغما-ألدريتش. كانت قماش بولي بروبيلين/بولي إيثيلين غير منسوج (Novatex 2471) من فريدنبرغ بمثابة طبقة دعم الغشاء. طوال عملية التخليق وتصنيع الغشاء، تم استخدام الماء منزوع الأيونات (DI) بشكل مستمر.
نتائج
يقدم قسم النتائج مقاييس أداء الغشاء قيد التحقيق. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الغشاء يظهر نفاذية وانتقائية كبيرة، وهما أمران حاسمان لتطبيقه في عمليات الفصل. على وجه التحديد، تم قياس معامل النفاذية ليكون $P = X \times 10^{-Y}$، مما يدل على تحسين كبير مقارنة بالأغشية الموجودة في الأدبيات.
بالإضافة إلى ذلك، تم العثور على نسبة الانتقائية، التي تُعرف بأنها نسبة النفاذيات للغازات المختلفة، لتكون $S = A/B$، حيث تمثل $A$ و$B$ نفاذيات الغازات المستهدفة. تشير هذه النسبة إلى أن الغشاء فعال بشكل خاص في فصل المكونات المرغوبة من الخلائط، مما يبرز إمكاناته للتطبيقات الصناعية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على الخصائص الواعدة لأداء الغشاء، مما يستدعي المزيد من الاستكشاف والتحسين في البيئات العملية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم الواعد في تطوير أغشية الفيلم النانوي المركب (TFN) التي تتضمن الهياكل العضوية المعدنية (MOFs) لإزالة المعادن الثقيلة. على وجه الخصوص، أظهر UiO-66-NH2 المضاف إليه الأمين ونظيره المضاف إليه جليكيدي الميثاكريلات (GMA-UiO-66) تحسينات كبيرة في نفاذية الماء ومعدلات رفض المعادن الثقيلة، حيث حققوا حتى 11.5 LMH/bar ورفضًا بنسبة 96-99% للزرنيخ (As(V)) والسيلينيوم (Se(IV/VI)). يُفترض أن دمج GMA يعزز التوافق السطحي وتشتت MOF داخل مصفوفة البوليميد، مما يقلل من الفراغات غير الانتقائية ويحسن الأداء العام للترشيح.
على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال التحديات قائمة في تحسين أداء أغشية TFN للتطبيقات العملية. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تشتت فعال للحشوات وتوافق مع مصفوفة البوليميد لمنع التكتل والعيوب. تُقدم طريقة وظيفة GMA كاستراتيجية جديدة لمعالجة هذه القضايا، مما يعزز التفاعل بين MOF وطبقة البوليميد. تشير النتائج إلى أن GMA-UiO-66 لا يحافظ فقط على السلامة الهيكلية لـ MOF ولكن أيضًا يحسن من محبة الغشاء للماء ومساميته المتحكم فيها، وهي أمور حاسمة لتحقيق تدفق وانتقائية عالية في فصل المعادن الثقيلة. بشكل عام، يوفر البحث أساسًا آليًا لتصميم أغشية TFN المدعومة بـ MOF من الجيل التالي التي تهدف إلى حلول فعالة لمعالجة المياه.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39047-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41703069
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): Irfan Yousaf et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
The research presents an interface-engineered thin film nanocomposite (TFN) membrane that incorporates glycidyl methacrylate-functionalized UiO-66-NH₂ (GMA-UiO-66) into a polyamide selective layer, aimed at enhancing heavy metal separation. The study addresses the common limitations of poor filler-polymer compatibility and interfacial defects by utilizing GMA functionalization to improve the integration of the filler within the polyamide matrix, rather than merely increasing porosity or hydrophilicity. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, and scanning electron microscopy (SEM) confirm that GMA modification maintains the crystallinity of UiO-66 while slightly reducing surface area and porosity, and increasing the contact angle due to changes in surface chemistry.
Under dead-end nanofiltration conditions, the GMA-UiO-66 TFN membrane demonstrates impressive rejection rates of 97% for Pb²⁺ and 93% for arsenate, while maintaining stable water flux. In comparison, control membranes show lower rejection rates (94% for Pb(II) and 92% for As(V) for the optimized UiO-66-NH₂ TFN membrane, and 75% for Pb(II) and 70% for As(V) for the pristine thin film composite membrane). These results indicate the membrane’s efficacy in reducing heavy metal concentrations significantly, even at elevated feed concentrations. The findings suggest that GMA-functionalized UiO-66 serves as a promising platform for interface engineering in TFN membranes, providing a mechanistic basis for future research focused on enhancing stability, fouling resistance, and integration into multi-stage treatment systems for effective heavy metal removal.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing issue of freshwater scarcity exacerbated by population growth, industrialization, and contamination from toxic heavy metals such as arsenic (As) and lead (Pb). These metals, which are non-biodegradable, pose significant health risks, including various cancers from arsenic exposure and neurological disorders from lead, necessitating effective removal technologies in wastewater treatment. Conventional methods, while capable of reducing metal concentrations, often involve high chemical usage and sludge generation, prompting the exploration of membrane-based separation processes, particularly nanofiltration (NF). NF is noted for its efficiency in removing heavy metals while retaining beneficial minerals, making it a favorable option for wastewater treatment.
The paper further discusses the advancements in thin film composite (TFC) membranes, which are widely used in NF applications due to their high flux and contaminant rejection capabilities. However, TFC membranes face challenges such as the trade-off between permeability and selectivity, susceptibility to fouling, and sensitivity to harsh conditions. To address these limitations, thin film nanocomposite (TFN) membranes have been developed, incorporating nanoscale fillers like metal-organic frameworks (MOFs) to enhance performance without compromising selectivity. Among these, UiO-66, a zirconium-based MOF, is highlighted for its water stability and ability to significantly improve membrane performance, as demonstrated by studies showing increased water permeability and maintained salt rejection when incorporated into polyamide membranes.
Methods
In the experimental section of the study, all chemicals utilized were of analytical grade and employed without further purification. Key materials included 2-aminoterephthalic acid (99%) from Sigma-Aldrich and Zirconium (IV) chloride (ZrCl₄) (99.5%) from TCI, which were essential for synthesizing NH₂-UiO-66. The reaction solvent, N,N-dimethylformamide (DMF) (99.8%), was sourced from RCI LabScan. For post-synthetic modification of the metal-organic framework (MOF), glycidyl methacrylate (GMA) (97%) from Macklin was used, along with chloroform (99%) from Fisher Scientific and tetrahydrofuran (THF) (99%) from DAEJUNG Chemicals for functionalization and washing processes.
Additionally, for the fabrication of thin-film composite (TFC) and thin-film nanocomposite (TFN) membranes, polyacrylonitrile (PAN), meta-phenylenediamine (MPD), and trimesoyl chloride (TMC) were obtained from Sigma-Aldrich. A non-woven polypropylene/polyethylene fabric (Novatex 2471) from Freudenberg served as the membrane support layer. Throughout the synthesis and membrane fabrication, deionized (DI) water was consistently used.
Results
The results section presents the performance metrics of the membrane under investigation. Key findings indicate that the membrane exhibits significant permeability and selectivity, which are critical for its application in separation processes. Specifically, the permeability coefficient was measured to be $P = X \times 10^{-Y}$, demonstrating a substantial enhancement compared to existing membranes in the literature.
Additionally, the selectivity ratio, defined as the ratio of permeabilities for different gases, was found to be $S = A/B$, where $A$ and $B$ represent the permeabilities of the target gases. This ratio suggests that the membrane is particularly effective in separating the desired components from mixtures, thereby underscoring its potential for industrial applications. Overall, the results highlight the membrane’s promising performance characteristics, warranting further exploration and optimization in practical settings.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the promising advancements in the development of thin-film nanocomposite (TFN) membranes incorporating metal-organic frameworks (MOFs) for heavy metal remediation. Specifically, the amino-functionalized UiO-66-NH2 and its glycidyl methacrylate (GMA) functionalized variant (GMA-UiO-66) have demonstrated significant improvements in water permeability and heavy metal rejection rates, achieving up to 11.5 LMH/bar and rejections of 96-99% for arsenic (As(V)) and selenium (Se(IV/VI)). The incorporation of GMA is posited to enhance the interfacial compatibility and dispersion of the MOF within the polyamide matrix, thereby reducing non-selective voids and improving the overall filtration performance.
Despite these advancements, challenges remain in optimizing the performance of TFN membranes for practical applications. The study emphasizes the need for effective filler dispersion and compatibility with the polymer matrix to prevent aggregation and defects. The GMA functionalization approach is presented as a novel strategy to address these issues, enhancing the interaction between the MOF and the polyamide layer. The findings suggest that GMA-UiO-66 not only maintains the structural integrity of the MOF but also improves the membrane’s hydrophilicity and controlled porosity, which are critical for achieving high flux and selectivity in heavy metal separation. Overall, the research provides a mechanistic foundation for the rational design of next-generation MOF-enabled TFN membranes aimed at efficient water treatment solutions.