MEUF w obecności anionowych surfaktantów

J.H. Huang i inni⁸⁹ zastosowali w badaniach MEUF membranę wykonaną z polieterosulfonu (PES) o cut-off 6 kDa i dodecylosiarczan(VI) sodu (SDS) jako anionowy związek powierzchniowo czynny. Badano jak ciśnienie transmembranowe (ΔP) i stężenie fazy zasilającej wpływają na blokowanie porów membrany podczas procesu MEUF. Badano również wpływ wzrostu stężenia SDS, spowodowanego zawracaniem retentatu do fazy zasilającej, na wartość strumienia permeatu. Wykazano, że im wyższe było stężenie SDS to fouling membrany również był większy, a po osiągnięciu stężenia SDS wynoszącego 5 CMC, zaobserwowano duży spadek wartości strumienia permeatu.

Badania wpływu ciśnienia transmembranowego wykazały, że niskie wartości ΔP (np. 0,05 MPa), powodowały zmniejszenie strumienia permeatu w wyniku agregacji cząstek i tworzenia warstwy żelu. Natomiast duża siła napędowa spowodowana wyższymi wartości ΔP (np. 0,25 MPa) umożliwiała usunięcie warstwy żelowej z powierzchni membrany, tym samym odblokowanie porów membrany i w efekcie czego dalszy proces mógł być kontynuowany.

I. Kowalska, K. Majewska-Nowak i M. Kabsch-Korbutowicz⁹⁰ analizowały wielkość transportu anionowego związku powierzchniowo czynnego (SDS) przez membrany UF w danych warunkach. W cytowanej pracy badano wpływ materiału membrany pod względem wydajności i skuteczności separacji SDS oraz wpływ temperatury na zmianę wartości CMC surfaktantu. Przebadano pięć membran UF wykonanych z: polieterosulfonu (PES), polisulfonu (PS), regenerowanej celulozy (C), octanu celulozy (CA) i poliamidu (PA) o cut-off: 5, 10 i 30 kDa. Badania prowadzono w trzech temperaturach: 25, 40 i 55 °C. Stwierdzono, że pogorszeniu przepuszczalności roztworu micelarnego SDS przez membranę (w porównaniu do wody destylowanej), można przypisać zjawisko polaryzacji stężeniowej na powierzchni membrany. Zmniejszenie przepuszczalności membrany UF było bardziej widoczne dla membran mniej hydrofilowych (PA, PS i PES) o wyższych wartościach cut-off. Dodatkowo membrany wykonane z PES i PS charakteryzowały się

najlepsza wydajnością separacji. Obserwowano również pogorszenie separacji i własności transportowych membran UF wraz ze wzrostem stężenia SDS. Dodatkowo wzrost temperatury powodował przesuwanie CMC badanego surfaktantu w kierunku większych stężeń, co spowodowało zwiększenie wartości strumienia permeatu, ze względu na zmniejszenie lepkości roztworu i rozszerzalności cieplnej materiału membrany. Zdaniem cytowanych autorów wzrost wartości CMC dla SDS wraz ze wzrostem temperatury jest wynikiem demicelizacji spowodowanej zakłóceniami w warstwie palisadowej miceli.

I. Xiarchos, A. Jaworska i G. Zakrzewska-Trznadel⁹¹ badali wpływ różnych parametrów na efektywność usuwania jonów miedzi(II) z roztworów wodnych techniką MEUF, a mianowicie stężenia anionowego surfaktantu (SDS), pH, stosunku molowego SDS/Cu²⁺. W procesie MEUF użyto membranę wykonaną z regenerowanej celulozy o cut-off 5 kDa. Wykazano wpływ wartości pH na zdolność wiązania jonów miedzi(II) w miceli SDS. Okazało się, że najkorzystniejszymi warunkami do prowadzenia procesu MEUF są: pH=7,5 oraz wysokie stężenie surfaktantu. Najlepszy stopień zatrzymania jonów tego metalu (98,4%) uzyskano przy stosunku molowym SDS/Cu²⁺ wynoszącym 7,85 i pH=7,36. Ponadto retencję jonów miedzi(II) na poziomie 98% przy użyciu SDS uzyskali w swoich badaniach P. Reiller i inni⁹². W badaniach tych zastosowano membranę wykonaną z polisulfonu o cut-off 10 kDa, a pH roztworu wynosiło 5,5.

A.J. Chhatre i K.V. Marathe⁹³ przebadali wpływ stężenia metalu, stężenia SDS i pH separowanego roztworu na stopień zatrzymania jonów Ni(II). W procesie zastosowano membranę wykonaną z polisulfonu o cut-off 20 kDa. Cytowani autorzy stwierdzili, że zatrzymanie jonów niklu(II) bez dodatku surfaktantu jest niskie i zależy od stężenia separowanego metalu. Gdy stężenie Ni(II) wzrosło z 0,1 do 15 mmola to retencja wzrosła odpowiednio z 12,7 do 28,4%. Według autorów tak niski stopień retencji samego jonu metalu może być związany z faktem, że membrana z polisulfonu, która została użyta do badań ma rozmiar porów wynoszący 20 kDa, a rozmiar jonu Ni(II) wynosi 59 Da.

Ze względu na tak duże różnice w wielkości porów membrany i jonów Ni(II), stopień retencji na tej membranie jest niewielki. Natomiast w obecności związku powierzchniowo czynnego, zatrzymanie jonów Ni(II) jest już rzędu 99,5%, przy wartości pH 3–10. Różnica w wartościach %R jonów metalu w układach bez i z dodatkiem SDS wynika z tego, że dodatek surfaktantu powoduje wiązanie jonów metalu w micelach, które są większych rozmiarów niż same jony metalu i możliwe jest ich zatrzymanie podczas filtracji na membranie o porach wynoszących 20 kDa.

V.D. Karate i K.V. Marathe⁹⁴ w swojej pracy opisali możliwość jednoczesnego usuwania jonów niklu(II) i kobaltu(II) z roztworów wodnych techniką MEUF.

W badaniach stosowano membranę wykonaną z polisulfonu o cut-off 20 kDa oraz anionowy związek powierzchniowo czynny (SDS). Badano wpływ natężenia przepływu, pH, stężenia jonów metali i stosunku molowego surfaktantu do metalu (S/M) na efektywność procesu. Wykazano, że tworzenie się warstwy żelowej i zjawisko polaryzacji stężeniowej miały małe znaczenie. Otrzymane wyniki pokazały, że wysoki stopień zatrzymania Ni²⁺ i Co²⁺ (rzędu 99%), otrzymano przy natężeniu przepływu wynoszącym 150 ml/min, stężeniu Ni²⁺ i Co²⁺ równym 1 mmol i stosunku S/M równym 7. pH roztworu zasilającego zmieniano od 3 do 10, jednak nie miało ono większego znaczenia na wartość

%R Ni²⁺ i Co²⁺, gdyż wartość ta pozostała prawie na stałym poziomie w całym zakresie pH od 3 do 10. Obecność elektrolitu zmniejszała efektywność procesu MEUF z 99%

do 88%, ale i tak możliwe było uzyskanie wysokich wartość %R w obecność soli.

J. Landaburu-Aguirre, E. Pongracz, R.L. Keiski⁹⁵ wykazali, że proces MEUF jest opłacalną techniką oczyszczania wód bogatych w fosfor. Proces przeprowadzono w celu zbadania możliwości jednoczesnego usuwania metali ciężkich z wód bogatych w fosfor, oceniając wpływ pH (3,5–5), stężenia: SDS (3,5–20 mmola), fosforu(V) (0–1,3 g/dm³), cynku(II) (0,8–2 mg/dm³) i niklu(II) (2–4 mg/dm³), na wartość współczynnika retencji jonów kadmu(II) i miedzi(II). Badania wykazały, że stężenie jonów cynku(II) i niklu(II) nie miały większego znaczenia na wydajność procesu MEUF. Natomiast znaczący wpływ wykazały pH roztworu, stężenie SDS i stężenie fosforu(V). Dla obu separowanych metali uzyskano współczynnik retencji osiągający wartość do 98%, gdy w roztworze wyjściowym nie był obecny fosfor(V), a stężenie SDS wynosiło 20 mmola. Przy niskich wartościach pH i w obecności fosforu(V) metale ciężkie były obecne w postaci dwuwartościowych kationów i nie zaobserwowano tworzenia kompleksu. W tych warunkach, współczynnik retencji Cu(II) był podobny do Cd(II) i osiągał wartość 80%. Natomiast dla wyższych wartości pH, obecność fosforu(V) w fazie zasilającej wpływała negatywnie na wartość współczynnika retencji Cu(II), który osiągał wartość 65% ze względu na bardziej skomplikowane kompleksy powstające w separowanym układzie.

X. Li i inni⁹⁶ w cytowanej pracy stwierdzili, że proces MEUF z użyciem anionowego surfaktantu (SDS), jest dobrą techniką do efektywnego usuwania jonów metali ciężkich z możliwością odzysku surfaktantu z retentatu. Z przygotowanych modelowych roztworów retentatu przez dodatek EDTA lub H2SO4 odzyskiwano SDS, który ponownie wykorzystywany był w procesie MEUF. Dodatkowo sprawdzano stopień separacji jonów

metali i odzysku SDS. W pierwszym wariancie wykazano, że wykorzystanie środków chelatujących (dodanie EDTA przy pH=4,4) umożliwiało separację jonów metali na poziomie 95% dla Cd²⁺ i 98% dla Zn²⁺ oraz odzysk SDS na poziomie 65% w układzie z Cd(II) i 68% w przypadku separacji Zn(III). Z kolei stopień zatrzymania jonów Cd(II) i Zn(II) w procesie MEUF przy użyciu odzyskanego SDS z modelowych roztworów retentatu wyniósł odpowiednio 90 i 89%. Natomiast dodanie H2SO4 do roztworu wyjściowego przy pH=1 pozwalało na separację jonów kadmu(II) i cynku(II), odpowiednio na poziomie 98 i 96%, a odzysk SDS był odpowiednio na poziomie 58 i 54%. W tym drugim wariancie stopień zatrzymania Cd(II) i Zn(II) w procesie MEUF przy użyciu odzyskanego SDS wyniósł odpowiednio 88 i 87%. Stwierdzono, że obie metody: początkowej chelatacji, a następnie ultrafiltracji oraz początkowego zakwaszania, a następnie ultrafiltracji są trwałe i nadają się do odzysku SDS z retentatu zawierającego Cd²⁺ lub Zn²⁺. Wśród czynników chelatujących, EDTA okazał się najlepszym do oddzielania jonów metali ciężkich i odzysku SDS.

Przeglądu możliwości zastosowania techniki MEUF do usuwania jonów metali ciężkich dokonali R.S. Juang, Y.Y. Xu i C.L. Chen⁹⁷. W pracy przedstawiono badania dotyczące zdolności usuwania pojedynczych jonów metali: Cs⁺, Sr²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ i Cr³⁺ z roztworów wodnych techniką MEUF przy użyciu anionowego SDS.

W procesie zastosowano dwie membrany wykonane z poliamidu i polieterosulfonu o cut-off 1–8 kDa. Stosunek molowy SDS/metal wynosił 0,5–27. Wykazano, że w procesie MEUF możliwe jest niemalże całkowite usunięcie jonów metalu, za wyjątkiem jednowartościowego cezu. Dodatkowo możliwe jest też rozdzielenie układów zawierających dwa jony metali Sr²⁺ i Cr³⁺, stosując membranę o cut-off 1 kDa i stosunek SDS/metal <5–10. Badano także możliwość odzysku surfaktantu z retentatu i jego ponowne wykorzystanie w procesie. Na odzysk SDS miał wpływ rodzaj zastosowanej membrany. Odzysk był mniejszy dla membran bardziej hydrofilowej (PA) i o wyższych wartościach cut-off. Poprzez dodatek NaOH do retentatu udało się odzyskać 45–55% SDS. Dla roztworów o stężeniu wyjściowym 0,05 g/dm³ i stosunku SDS/metal=5, stopień zatrzymania pojedynczych jonów metali Cs⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺

i Sr²⁺wyniósł odpowiednio 40, 78, 80, 82, 84, 87 i 99%. Natomiast stopień zatrzymania tych jonów przy użyciu zregenerowanego SDS wynosił 50–58%.

SDS stosowany jest w procesie MEUF nie tylko do usuwania jonów metali, ale również do usuwania związków organicznych czy barwników. G.M. Zeng i inni⁹⁸ opisali możliwość pojedynczego i jednoczesnego usuwania Cd²⁺ oraz błękitu metylenowego (MB)

przy użyciu SDS. Wykazano, że w układzie pojedynczym maksymalna wydajność usuwania Cd²⁺ wynosiła 99%, a retencja MB może osiągnąć więcej niż 99,9% przy stężeniu SDS poniżej 2 CMC. Efektywność usuwania Cd²⁺ w obecność MB była nieco wyższa (98,8%) gdy początkowe stężenie SDS było poniżej 1 CMC, natomiast przy stężeniu powyżej 1CMC była już niższa (96,8%). Efektywność usuwania MB w obecności Cd²⁺ wyniosła >96,5%, co wskazuje na to, że wartości %R są porównywalne dla układów pojedynczych i mieszanych. Z kolei w badaniach opisanych przez S.J. Park, H.H. Yoon i S.K. Song⁹⁹ wykazano, że zastosowanie SDS w procesie MEUF pozwala na równie efektywnie usuwanie o-krezolu. Świadczą o tym opisane w pracy badania i uzyskany stopień retencji wynoszący 85%.

I. Sentana i D. Prats¹⁰⁰ dokonały porównania wydajności separacji jonów niklu(II) w procesie MEUF przez dwa anionowe surfaktanty: SDS i LAS. Wyniki wykazały, że dla stężenia stosowanych związków powierzchniowo czynnych powyżej CMC, stopień zatrzymania jonów Ni(II) z SDS był nieco wyższy niż w przypadku LAS i dla stosunku molowego surfaktant/metal=45 retencja Ni(II) wynosiła 70% w układzie z SDS i 55%

w przypadku układu MEUF z LAS. W innej pracy E. Samper i inni¹⁰¹ również badali wpływ tych dwóch anionowych surfaktantów na stopień zatrzymania jonów kadmu(II), miedzi(II), niklu(II), ołowiu(II) i cynku(II) w procesie MEUF. Przeprowadzone badania potwierdzają, że LAS pozwala na (porównywalnie do SDS), efektywne usuwanie jonów metali z roztworów wodnych techniką MEUF.

A. Witek i inni¹⁰² podjęli próbę zbadania zdolności CTAB i SDS do jednoczesnego usuwania fenolu i jonów chromu(III) metodą MEUF. Zastosowano membranę UF o rozdzielczości granicznej 20 kDa. Badania wykazały, że proces MEUF może być stosowany do jednoczesnego usuwania organicznych i nieorganicznych zanieczyszczeń, gdyż obecność jonów Cr(III) nie wpływa na stopień zatrzymania fenolu.