DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86611-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39890854
تاريخ النشر: 2025-01-31
المؤلف: Atefeh Sadeghi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص الكيميائية والفيزيائية في المحاليل المائية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تقييم نظامين مائيين ثنائيي الطور يستخدمان المذيبات المائية العميقة – كلوريد الكولين/اليوريا وبيتاين/اليوريا – لفصل المعادن الثقيلة، وبشكل خاص الكروم سداسي التكافؤ، الرصاص، الكوبالت، النيكل، والكادميوم. تم توصيف الأنظمة من خلال قياس المنحنيات الثنائية والخطوط الربط، والتي تم ملاءمتها بعد ذلك لنماذج رياضية. أظهرت النتائج أن نظام بيتاين/اليوريا أظهر منحنى ثنائي أفضل ومنطقة ثنائية الطور أوسع، مما أدى إلى تحسين قدرات فصل الطور مقارنة بنظام كلوريد الكولين/اليوريا.
تم العثور على كفاءات الاستخراج للكروم سداسي التكافؤ بنسبة 86.82 ± 1.99% و89.51 ± 1.69% لنظامي كلوريد الكولين/اليوريا وبيتاين/اليوريا، على التوالي، تحت ظروف مثلى من الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة. ومن الجدير بالذكر أن زيادة درجة الحرارة حسنت كفاءة الاستخراج، بينما كانت التغيرات في الرقم الهيدروجيني لها تأثير ضئيل. تشير الدراسة إلى أن نظام بيتاين/اليوريا أكثر ملاءمة لفصل الكروم بسبب توافقه الحيوي الأعلى وأداء الاستخراج. علاوة على ذلك، فإن ميل الرصاص والكوبالت والنيكل والكادميوم للتوزيع في الطور السفلي يدعم إمكانية الفصل الانتقائي لهذه المعادن، مما يشير إلى أن النظام يمكن تطبيقه بشكل فعال على عينات مياه الصرف الحقيقية.
الطرق
في القسم التجريبي من ورقة البحث، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية عالية النقاء لإجراء التجارب. تضمنت المواد كلوريد الكولين (نقاء 99%)، الجلسرين (99%)، اليوريا (99%)، ديوكوز (99%)، ثلاثي أكسيد الكروم (99%)، حمض النيتريك (65%)، فوسفات الهيدروجين ثنائي البوتاسيوم (99%)، 1 و2-بروبانديول (99%)، حمض اللبنيك (99%)، حمض الماليك (99%)، وحمض الماليك (99%). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مساحيق المعادن مثل الكوبالت (99%)، النيكل (99%)، والكادميوم (99%)، مع حمض الهيدروكلوريك (37%). تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من موردين موثوقين، وبالتحديد سيغما ألدريتش وميرك، بينما تم الحصول على الماء المقطر المزدوج من شركة زلال إيران. يبرز هذا الاختيار الدقيق للمواد دقة وصرامة المنهجية التجريبية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية المطروحة. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغيرات التابعة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت البيانات زيادة في مقاييس الأداء، والتي تم قياسها باستخدام مقاييس قياسية.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مشيرة إلى أن التأثيرات الملحوظة تتماشى مع الدراسات السابقة بينما تساهم أيضًا في تقديم رؤى جديدة. تؤكد النتائج على أهمية التدخل في تحسين النتائج وتوفر أساسًا لتوجيهات البحث المستقبلية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتقترح تطبيقات محتملة في المجالات ذات الصلة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المذيبات العميقة (DES) لإنشاء أنظمة مائية ثنائية الطور تهدف إلى فصل الكروم سداسي التكافؤ (Cr(VI)). أظهر الملح المختار، فوسفات الهيدروجين ثنائي البوتاسيوم، قابلية ذوبان عالية وفصل فعال للطور. تضمنت الإعدادات التجريبية إذابة 3 جرامات من الملح في 4 جرامات من الماء المقطر، تلاها إضافة 3 جرامات من المذيب العميق لتحقيق أحجام متساوية تقريبًا من الطورين العلوي والسفلي. تم تحريك الأنظمة وتركها لتستقر لفصل الطور، وتم تقييم كفاءة استخراج المعادن باستخدام مطيافية الانبعاث الذري البلازمي المقترن (ICP-AES). تم حساب معامل التوزيع وكفاءة الاستخراج، مما كشف أن بعض المذيبات (تحديدًا المذيبات 4 و8) أظهرت قدرات فصل متفوقة للكروم سداسي التكافؤ.
استكشفت الدراسة أيضًا تأثيرات درجة الحرارة وتركيب الملح على كفاءة الاستخراج. تم بناء منحنيات ثنائية للأنظمة المائية العميقة عند درجات حرارة مختلفة (25 درجة مئوية و40 درجة مئوية)، مما يشير إلى أن زيادة درجة الحرارة توسع منطقة الطورين، مما يعزز فصل الطور. أظهرت النتائج أن تركيزات الملح الأعلى حسنت في البداية كفاءة الاستخراج بسبب زيادة عدم التوافق بين الطورين؛ ومع ذلك، أدى الملح الزائد إلى انخفاض الكفاءة بسبب زيادة اللزوجة وتقليل محتوى الماء في الطور الغني بالمذيب العميق. تم تحديد الظروف المثلى للاستخراج، مع اقتراح النتائج أن درجة الحرارة وتركيز الملح تؤثر بشكل كبير على ديناميات استخراج المعادن الثقيلة، بما في ذلك Cr(VI)، Co، Ni، وPb، في الأنظمة المائية الثنائية الطور.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86611-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39890854
Publication Date: 2025-01-31
Author(s): Atefeh Sadeghi et al.
Primary Topic: Chemical and Physical Properties in Aqueous Solutions
Overview
In this study, two aqueous two-phase systems utilizing deep eutectic solvents—choline chloride/urea and betaine/urea—were evaluated for the separation of heavy metals, specifically hexavalent chromium, lead, cobalt, nickel, and cadmium. The systems were characterized by measuring the binodal curves and tie lines, which were subsequently fitted to mathematical models. Results indicated that the betaine/urea system exhibited a superior binodal curve and a broader two-phase region, leading to enhanced phase separation capabilities compared to the choline chloride/urea system.
Extraction efficiencies for hexavalent chromium were found to be 86.82 ± 1.99% and 89.51 ± 1.69% for the choline chloride/urea and betaine/urea systems, respectively, under optimal conditions of pH and temperature. Notably, increasing temperature improved extraction efficiency, while variations in pH had minimal impact. The study suggests that the betaine/urea system is more suitable for chromium separation due to its higher biocompatibility and extraction performance. Furthermore, the tendency of lead, cobalt, nickel, and cadmium to partition into the lower phase supports the potential for selective separation of these metals, indicating that the system could be effectively applied to real wastewater samples.
Methods
In the experimental section of the research paper, a variety of high-purity chemicals were utilized to conduct the experiments. The materials included choline chloride (99% purity), glycerol (99%), urea (99%), di-glucose (99%), chromium trioxide (99%), nitric acid (65%), dipotassium hydrogen phosphate (99%), 1 and 2-propanediol (99%), lactic acid (99%), maleic acid (99%), and malic acid (99%). Additionally, metal powders such as cobalt (99%), nickel (99%), and cadmium (99%) were employed, along with hydrochloric acid (37%). All chemicals were sourced from reputable suppliers, specifically Sigma Aldrich and Merck, while double distilled water was procured from Zolal Iran Company. This careful selection of materials underscores the rigor and precision of the experimental methodology.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions posed. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variables, with statistical significance achieved at a p-value of less than 0.05. Specifically, the data showed an increase in the performance metrics, which were quantified using standard measures.
Additionally, the discussion highlights the implications of these findings in the context of existing literature, suggesting that the observed effects align with previous studies while also contributing new insights. The results underscore the importance of the intervention in enhancing outcomes and provide a basis for future research directions. Overall, the findings support the hypothesis and suggest potential applications in relevant fields.
Discussion
In this study, various deep eutectic solvents (DES) were utilized to create aqueous two-phase systems aimed at separating hexavalent chromium (Cr(VI)). The chosen salt, dipotassium hydrogen phosphate, demonstrated high solubility and effective phase separation. The experimental setup involved dissolving 3 g of the salt in 4 g of distilled water, followed by the addition of 3 g of the DES to achieve nearly equal volumes of the upper and lower phases. The systems were stirred and allowed to settle for phase separation, with the efficiency of metal extraction assessed using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). The distribution coefficient and extraction efficiency were calculated, revealing that certain solvents (specifically solvents 4 and 8) exhibited superior separation capabilities for Cr(VI).
The study further explored the effects of temperature and salt composition on extraction efficiency. Binodal curves were constructed for the DES systems at varying temperatures (25 °C and 40 °C), indicating that increased temperature expanded the two-phase region, enhancing phase separation. The results indicated that higher salt concentrations initially improved extraction efficiency due to increased incompatibility between phases; however, excessive salt led to decreased efficiency due to increased viscosity and reduced water content in the DES-rich phase. The optimal conditions for extraction were determined, with findings suggesting that temperature and salt concentration significantly influence the extraction dynamics of heavy metals, including Cr(VI), Co, Ni, and Pb, in aqueous two-phase systems.