DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-025-06910-3
تاريخ النشر: 2026-01-17
المؤلف: Abdelrahman S. El-Zeny وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بالتحقيق في تعزيز أغشية الترشيح الفائق (UF) من خلات السليلوز (CA) من خلال دمج جزيئات نانوية من AgFeO₂. أظهرت الأغشية الناتجة عن النانو مركب هيكلًا غير متناسق يشبه الإسفنج مع توزيع عشوائي لجزيئات AgFeO₂، مما غير بشكل كبير خصائصها الجوهرية مقارنة بأغشية CA النقية. ومن الجدير بالذكر أن الغشاء الذي يحتوي على 8 wt% من AgFeO₂ (المسمى M5) أظهر زاوية تماس منخفضة قدرها 42.68° وإمكانات زتا سلبية عالية قدرها -24.9 مللي فولت، مما أدى إلى تحسين نفاذية الماء النقي (PWP) ونفاذية ألبومين مصل البقر (BSA) بمعدل 4.813 LMH·bar⁻¹ و 4.37 LMH·bar⁻¹، على التوالي. كما حقق غشاء M5 معدلات رفض صبغة مثيرة للإعجاب بلغت 51.1% لـ BSA، و64.4% للميثيلين الأزرق (MB)، و93.7% للأرجواني البلوري (CV).
تشير النتائج إلى أن غشاء CA المعدل بـ AgFeO₂ لا يعزز فقط خصائص النفاذية ومقاومة التلوث، بل يظهر أيضًا نشاطًا مضادًا للبكتيريا قويًا ضد المكورات العنقودية الذهبية والإشريكية القولونية. كما أن نسبة استرداد التدفق العالية للغشاء (FRR) والتي بلغت 94.12% بعد ثلاث دورات ونسبة التلوث الكلي المنخفضة، التي تتكون أساسًا من تلوث قابل للعكس، تؤكد على إمكانية إعادة استخدامه وكفاءته. بشكل عام، فإن دمج جزيئات AgFeO₂ النانوية يحسن بشكل فعال أداء أغشية CA UF، مما يعزز قدراتها في النفاذية، ومقاومة التلوث، والعمل المضاد للبكتيريا، وإزالة الصبغات دون المساس بكفاءة الفصل.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات البيئية والصحية العاجلة التي تفرضها التلوث الصناعي وندرة المياه، لا سيما في البلدان النامية حيث تؤثر الأمراض المنقولة بالمياه بشكل كبير على الصحة العامة. يعتمد حوالي 1.8 مليار فرد على مصادر المياه الملوثة بالميكروبات المسببة للأمراض، مما يبرز الحاجة إلى طرق فعالة لتنقية المياه. تُعتبر عمليات فصل الأغشية، ولا سيما الترشيح الفائق (UF)، تقنيات واعدة نظرًا لكفاءتها في استخدام الطاقة، وفصلها عالي الجودة، ومزاياها التشغيلية. ومع ذلك، فإن أداء أغشية UF، التي غالبًا ما تُصنع من مواد مثل خلات السليلوز (CA)، يتعطل بسبب مشكلات مثل التلوث وتكوين الأغشية الحيوية.
لمعالجة هذه التحديات، تقترح الدراسة دمج جزيئات نانوية من الفريت الفضي (AgFeO₂) في أغشية CA UF لتعزيز خصائصها المضادة للتلوث والمضادة للميكروبات. تهدف الأبحاث إلى تقييم كيفية تأثير هذا التعديل على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للأغشية وأداء الترشيح، مع افتراض تحسينات في نفاذية الماء النقي، ورفض الصبغات، ومقاومة التلوث. من خلال الاستفادة من الخصائص المضادة للبكتيريا للفضة والخصائص المغناطيسية للفريت، تسعى الدراسة إلى تحسين وظيفة الأغشية وطول عمرها، مما يسهم في حلول أكثر فعالية لمعالجة المياه.
الطرق
في هذا القسم، يتم تفصيل المواد المستخدمة في الإجراءات التجريبية. تم الحصول على خلات السليلوز (CA) بمحتوى مجموعة الأسيتيل يتراوح من 29% إلى 45% من LANXESS Energizing Chemistry في الهند. تم الحصول على ألبومين مصل البقر (BSA)، الذي يتميز بكتلة جزيئية تبلغ 67 كيلودالتون وقطر هيدرو ديناميكي تقريبي يبلغ 7 نانومتر، من Loba Chemie، أيضًا في الهند. تم توفير الصبغات المستخدمة في الدراسة، الأرجواني البلوري (CV) والميثيلين الأزرق (MB)، من Loba Chemie.
بالإضافة إلى ذلك، تضمنت المذيبات المستخدمة ثنائي ميثيل فورماميد (DMF، 99%) والأسيتون (99%)، وكلاهما تم الحصول عليه من Merck في ألمانيا. تم أيضًا الحصول على المواد الأولية للفريت الفضي، وتحديدًا نترات الفضة (99.8%) وكلوريد الحديد الثلاثي سداسي الماء (99%)، من Merck. تم تزويد الجلسرين وهيدروكسيد الصوديوم من Advent في الهند، بينما تم استخدام الماء المقطر مرتين كعامل غير مذيب خلال عملية تصنيع الأغشية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الأساسية التي تم اختبارها. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في المتغير الأساسي مقارنة بمجموعة التحكم.
علاوة على ذلك، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على فوائد إضافية مرتبطة بالتدخل، بما في ذلك تحسينات في القياسات ذات الصلة. كانت هذه النتائج متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يعزز قوة النتائج. بشكل عام، تدعم البيانات فعالية التدخل، مما يستدعي المزيد من الاستكشاف والتطبيق المحتمل في سياقات أوسع.
المناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل إعداد وتوصيف الفريت الفضي (AgFeO₂) ودمجه في أغشية خلات السليلوز (CA). تم تصنيع جزيئات AgFeO₂ باستخدام طريقة الترسيب المشترك/الهيدروحراري، مما أسفر عن منتج ذو هيكل ديلافوسيت، تم تأكيده من خلال تحليل حيود الأشعة السينية (XRD). أظهرت الجزيئات النانوية خصائص مغناطيسية فائقة، مع مغنطة تشبع قدرها 28.56 emu/g. تم تصنيع أغشية CA باستخدام طريقة فصل الطور الناتجة عن عدم وجود مذيب (NIPS)، مع تركيزات متغيرة من AgFeO₂ (0-8 wt%). كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الذري (AFM)، أن إضافة AgFeO₂ زادت من خشونة السطح وغيرت شكل الغشاء، مما يعزز من خصائصه الهيدروفيلية ومقاومته للتلوث.
تم تقييم أداء الأغشية من خلال تجارب الترشيح، مما أظهر تحسينًا في نفاذية الماء النقي ومقاومة التلوث مع زيادة محتوى AgFeO₂. أشارت قياسات زاوية التماس إلى زيادة في الهيدروفيلية، وهو أمر حاسم لتقليل التلوث بواسطة الملوثات العضوية. أظهر تحليل إمكانات الزتا أن دمج AgFeO₂ نقل شحنة سطح الغشاء نحو قيم أكثر سلبية، مما يعزز الطرد الكهروستاتيكي ضد الملوثات السلبية الشحنة مثل ألبومين مصل البقر (BSA). بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على نجاح تصنيع AgFeO₂ وتأثيراته المفيدة على خصائص أداء أغشية CA، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في تقنيات معالجة المياه والترشيح.
القيود
تقدم الدراسة نتائج واعدة بشأن أداء جزيئات AgFeO₂ النانوية في تطبيقات الأغشية؛ ومع ذلك، هناك عدة قيود تستدعي الانتباه. من الجدير بالذكر أن قيم تدفق المياه الملحوظة، على الرغم من تحسينها، لا تزال أقل من تلك الخاصة ببعض الأنظمة البديلة القائمة على الفضة، مما يشير إلى أن تحسين توزيع الجزيئات النانوية وظروف صب الأغشية أمر ضروري. بالإضافة إلى ذلك، لم تقيم الأبحاث الاستقرار على المدى الطويل وسلوك التسرب لجزيئات AgFeO₂ النانوية، مما يثير مخاوف بشأن السلامة البيئية والمتانة التشغيلية.
يجب أن تتناول الأبحاث المستقبلية هذه الفجوات من خلال دمج اختبارات التسرب وإجراء تقييمات أداء طويلة الأمد. علاوة على ذلك، تم اختبار الفعالية المضادة للميكروبات للأغشية تحت ظروف مختبرية محكومة، مما يستلزم تجارب ميدانية للتحقق من فعاليتها في سيناريوهات مياه الصرف الصحي الواقعية. يُوصى أيضًا بإجراء تقييمات أوسع للطيف الميكروبي لضمان تقييم شامل لأداء الأغشية في بيئات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-025-06910-3
Publication Date: 2026-01-17
Author(s): Abdelrahman S. El-Zeny et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
In this study, the authors investigated the enhancement of cellulose acetate (CA) ultrafiltration (UF) membranes through the incorporation of AgFeO₂ nanoparticles (NPs). The resulting nanocomposite membranes exhibited an asymmetric, sponge-like structure with a random distribution of AgFeO₂ NPs, which significantly altered their intrinsic properties compared to neat CA membranes. Notably, the membrane containing 8 wt% AgFeO₂ (designated as M5) demonstrated a low contact angle of 42.68° and a high negative zeta potential of -24.9 mV, leading to improved pure water permeability (PWP) and bovine serum albumin (BSA) permeability of 4.813 LMH·bar⁻¹ and 4.37 LMH·bar⁻¹, respectively. The M5 membrane also achieved impressive dye rejection rates of 51.1% for BSA, 64.4% for methylene blue (MB), and 93.7% for crystal violet (CV).
The findings indicate that the AgFeO₂-modified CA membrane not only enhances permeation and antifouling properties but also exhibits strong antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Escherichia coli. The membrane’s high flux recovery ratio (FRR) of 94.12% after three cycles and a low total fouling ratio, primarily consisting of reversible fouling, further underscore its reusability and efficiency. Overall, the incorporation of AgFeO₂ NPs effectively improves the performance of CA UF membranes, enhancing their capabilities in permeation, antifouling, antibacterial action, and dye removal without compromising separation efficiency.
Introduction
The introduction highlights the urgent environmental and health challenges posed by industrial pollution and water scarcity, particularly in developing countries where waterborne diseases significantly impact public health. Approximately 1.8 billion individuals rely on water sources contaminated with pathogenic microorganisms, emphasizing the need for effective water purification methods. Membrane separation processes, particularly ultrafiltration (UF), are identified as promising techniques due to their energy efficiency, high-quality separation, and operational advantages. However, the performance of UF membranes, often made from materials like cellulose acetate (CA), is hindered by issues such as fouling and biofilm formation.
To address these challenges, the study proposes the incorporation of silver ferrite (AgFeO₂) nanoparticles into CA UF membranes to enhance their antifouling and antimicrobial properties. The research aims to evaluate how this modification affects the membranes’ physicochemical characteristics and filtration performance, hypothesizing improvements in pure water permeability, dye rejection, and fouling resistance. By leveraging the antibacterial properties of silver and the magnetic attributes of ferrite, the study seeks to optimize membrane functionality and longevity, thereby contributing to more effective water treatment solutions.
Methods
In this section, the materials utilized for the experimental procedures are detailed. Cellulose acetate (CA) with an acetyl group content ranging from 29% to 45% was sourced from LANXESS Energizing Chemistry in India. Bovine serum albumin (BSA), characterized by a molecular mass of 67 kDa and an approximate hydrodynamic diameter of 7 nm, was obtained from Loba Chemie, also in India. The dyes employed in the study, Crystal Violet (CV) and Methylene Blue (MB), were provided by Loba Chemie.
Additionally, the solvents used included Dimethylformamide (DMF, 99%) and Acetone (99%), both acquired from Merck in Germany. The precursors for silver ferrite, specifically silver nitrate (99.8%) and Ferric chloride hexahydrate (99%), were also sourced from Merck. Glycerol and sodium hydroxide were supplied by Advent in India, while double distilled water served as the non-solvent agent during the membrane fabrication process.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary outcome variable compared to the control group.
Furthermore, secondary analyses highlighted additional benefits associated with the intervention, including improvements in related measures. These findings were consistent across various demographic subgroups, reinforcing the robustness of the results. Overall, the data support the efficacy of the intervention, warranting further exploration and potential application in broader contexts.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of silver ferrite (AgFeO₂) and its incorporation into cellulose acetate (CA) membranes are detailed. The AgFeO₂ nanoparticles were synthesized using a co-precipitation/hydrothermal method, resulting in a product with a Delafossite structure, confirmed by X-ray diffraction (XRD) analysis. The nanoparticles exhibited superparamagnetic properties, with a saturation magnetization of 28.56 emu/g. The CA membranes were fabricated using a non-solvent induced phase separation (NIPS) method, with varying concentrations of AgFeO₂ (0-8 wt%). Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM), revealed that the addition of AgFeO₂ increased surface roughness and altered membrane morphology, promoting enhanced hydrophilicity and antifouling properties.
The membranes’ performance was evaluated through filtration experiments, demonstrating improved pure water permeability and fouling resistance with higher AgFeO₂ content. The contact angle measurements indicated increased hydrophilicity, which is crucial for reducing fouling by organic contaminants. Zeta potential analysis showed that the incorporation of AgFeO₂ shifted the membrane surface charge towards more negative values, enhancing electrostatic repulsion against negatively charged foulants like bovine serum albumin (BSA). Overall, the study highlights the successful synthesis of AgFeO₂ and its beneficial effects on the performance characteristics of CA membranes, suggesting potential applications in water treatment and filtration technologies.
Limitations
The study presents promising results regarding the performance of AgFeO₂ nanoparticles in membrane applications; however, several limitations warrant attention. Notably, the observed water flux values, although improved, are still lower than those of some alternative silver-based systems, suggesting that further optimization of nanoparticle dispersion and membrane casting conditions is essential. Additionally, the research did not evaluate the long-term stability and leaching behavior of the AgFeO₂ nanoparticles, which raises concerns about environmental safety and operational durability.
Future research should address these gaps by incorporating leaching tests and conducting long-duration performance assessments. Furthermore, the antimicrobial efficacy of the membranes was tested under controlled laboratory conditions, necessitating field trials to validate their effectiveness in real-world wastewater scenarios. Broader evaluations of the microbial spectrum are also recommended to ensure comprehensive assessment of the membranes’ performance in diverse environments.