Eine Simulationsstudie eines Elektro

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12170 (2022) Diesen Artikel zitieren

959 Zugriffe

8 Zitate

2 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die Membrantechnologie mit Vorteilen wie reduziertem Energieverbrauch aufgrund fehlender Phasenänderung, geringem Volumen- und hohem Massentransfer, hoher Trenneffizienz für Lösungslösungen, unkompliziertem Design von Membranen und einfacher Anwendung im industriellen Maßstab unterscheidet sich von anderen Trennmethoden. Es gibt verschiedene Methoden wie Flüssig-Flüssig-Extraktion, Adsorption, Fällung und Membranverfahren, um Verunreinigungen aus einer wässrigen Lösung abzutrennen. Die Flüssigmembrantechnik bietet als fortschrittliche Lösungsmittelextraktionstechnik eine praktische und unkomplizierte Trennmethode für Metallionen. Stabilisierte Flüssigmembranen erfordern aufgrund ihrer geringeren Dicke als andere Flüssigmembrantechniken einen geringeren Lösungsmittelverbrauch, geringere Kosten und einen müheloseren Stofftransfer. Der Einfluss der vom elektrischen Feld abgeleiteten elektrostatischen Eigenschaften auf die Ionentransportrate und die Extraktionsrückgewinnung in Flachblatt-unterstützten Flüssigmembranen (FSLM) und Elektroflachblatt-unterstützten Flüssigmembranen (EFSLM) wurde numerisch untersucht. Berücksichtigt wurden sowohl der FSLM- als auch der EFSLM-Betriebsmodus im Hinblick auf die Implementierung der Elektrostatik. Mithilfe eines numerischen Ansatzes wurden Poisson-Nernst-Planck- und Navier-Stokes-Gleichungen unter instationären Bedingungen gelöst, indem unterschiedliche Werte der Permittivität, Diffusionsfähigkeit und Viskosität für das Vorhandensein einer elektrischen Kraft bzw. eines Rührers berücksichtigt wurden. Das wichtigste Ergebnis dieser Studie ist, dass unter ähnlichen Bedingungen durch Erhöhung der angelegten Spannung die Extraktionsausbeute zunahm. Beispielsweise erhöhte sich im EFSLM-Modus durch Erhöhen der angelegten Spannung von \(10 \) auf \(30 {\text{V}}\) die Extraktionswiederherstellung von \(53\) auf \(98\%\). . Darüber hinaus wurde auch beobachtet, dass das Vorhandensein von Nanopartikeln erhebliche Auswirkungen auf die Leistung des SLM-Systems hat.

Heutzutage nimmt mit der Weiterentwicklung der Technologie die Menge des in die Umwelt eingeleiteten Industrieabwassers allmählich zu. Selbst in geringen Konzentrationen haben Schadstoffe im Abwasser verheerende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und andere lebende Organismen. Metallionen gehören zu den giftigsten Schadstoffen im in die Umwelt eingeleiteten Abwasser1,2,3,4,5,6,7. Aufgrund der weit verbreiteten Verwendung von Schwermetallen wie Cadmium in Pigmenten, Galvanisierungen, Metallurgie und landwirtschaftlichen Feldern (Düngemittel und Pestizide) wird dieses giftige Metallion in Wasserquellen freigesetzt und verunreinigt diese8. Andererseits ist das Vorhandensein dieser Metalle in Wasserressourcen aufgrund der mangelnden Abbaubarkeit und Toxizität für das Ökosystem sehr besorgniserregend. Aus diesem Grund hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) \(3{\text{ ppm}}\) als die maximal zulässige Konzentration von Cadmium im Trinkwasser definiert9,10,11. Daher ist es notwendig, wirksame und kostengünstige Methoden zur Entfernung von Metallen aus dem Abwasser vor der Entsorgung zu entwickeln. Es gibt verschiedene Methoden zur Entfernung von Metallionen aus Abwasser, wie z. B. Flüssig-Flüssig-Extraktion12,13,14, Adsorption15,16, Ionenaustausch17, Elektrodialyse18,19 und Membranverfahren2,20,21,22.

Heutzutage bietet die Membrantechnologie Vorteile wie einen geringeren Energieverbrauch aufgrund des fehlenden Phasenwechsels, ein geringes Volumen und einen hohen Massentransfer, eine hohe Trenneffizienz für verdünnte Lösungen, ein unkompliziertes Design von Membranen und eine einfache Anwendbarkeit im industriellen Maßstab im Vergleich zu anderen Methoden23. Es werden Isolierungsmittel unterschieden, unter denen die Verwendung von SLM aufgrund der hohen Extraktionseffizienz auch bei niedrigen Konzentrationen, des geringen Lösungsmittelverbrauchs, der geringen Kosten und des müheloseren Stofftransfers aufgrund der geringeren Dicke als bei anderen LM-Techniken zwei Phasen des Akzeptors und Donors enthält viel Aufmerksamkeit24.

Die SLM-Membran kann das gewünschte Ion durch die treibende Kraft der Spannungsdifferenz oder Geschwindigkeit übertragen. Bisher haben viele Forscher auf dem Gebiet der Modellierung, Simulation und Experimentierung zahlreiche Studien zu Flüssigmembranen für die Abwasserbehandlung und die Rückgewinnung von Seltenerdmetallen durchgeführt25,26,27,28,29. Tehrani et al.30 untersuchten stabilisierte Nanofluidmembranen, um Gadoliniumionen aus dem Nitratlösungsmedium zu trennen. Sie untersuchten die Wirkung von hydrophilen TiO2- und hydrophoben SiO2-Nanopartikeln auf das stabilisierte Flüssigmembransystem. Die Ergebnisse zeigten, dass das Vorhandensein von Nanopartikeln die Diffusion des SLM-Systems erheblich beeinflusste und kamen zu dem Schluss, dass hydrophobe Nanopartikel wünschenswerter sind. Zaheri et al.31 gewannen Europiummetall durch Kohlenstoffnanoröhren und Säureträger (Cyanx 272) im SLM-System zurück und untersuchten die Auswirkung des pH-Werts der Zufuhr auf die Trennqualität. Bhatluri et al.32 untersuchten die Entfernung von Cadmium und Blei aus einem wässrigen Futtermittel mit Kokosnussöl als Lösungsmittel und Aliquate 336 als Träger. Durch die Erhöhung der EDTA-Menge in der Aufnahmephase steigerten sie den Massentransferfluss33. Untersucht wurde die Trennung von Cd(II)- und Ni(II)-Ionen in einem wässrigen Sulfatmedium unter Verwendung einer stabilisierten Flüssigmembran (SLM). Die Auswirkung verschiedener Parameter wie Feed-Konzentration, Trägerkonzentration, Feed-Phase und Rezeptor-pH auf den Trennfaktor und den Fluss von Cd(II)- und Ni(II)-Ionen wurde untersucht, was zu dem Schluss kam, dass der Prozentsatz der Cadmiumabtrennung viel höher ist als ein Nickel34. Rehman et al.35 untersuchten den Transfer von Zink (II) durch die SLM-Flachmembran mit dem Träger TDDA (Tri-n-dodecylamin). Die Stöchiometrie der extrahierten Spezies, dh des Komplexes, wurde mittels Steigungsanalyse untersucht und es wurde festgestellt, dass der Komplex (LH)2·Zn(CL)2 für die Zn(II)-Übertragung verantwortlich ist. Die vorhergesagten Ergebnisse des mathematischen Modells des Zinktransfers (II) stimmen mit den experimentellen Ergebnissen überein. Es wurde festgestellt, dass der Zn(II)-Fluss mit steigendem Träger- und HCL-Gehalt in der Zufuhrlösung etwas zunahm und mit weiterem Anstieg der Konzentration abnahm. Martinez et al.36 untersuchten die Trennung von Yttrium-Neodym-Dysprosium-Gemischen unter Verwendung von Bis(2-ethylhexyl)hydrogenphosphat (D2EHPA) als Träger durch FSLM durch Simulation. Bei den Berechnungen wurden Selektivität und ein transientes kinetisches Infiltrationsmodell verwendet. Die Verteilung des Widerstands zwischen den Phasen, der pH-Wert, die Konzentration des Extraktors und die Konzentration der anfänglichen Beschickung wirken sich dramatisch auf die Selektivität und die Prozesszeit aus, und ihre richtige Handhabung verbessert die Trennung. Die Instabilität der Membranphase beeinträchtigt im Laufe der Zeit die Lebensdauer der Membran, was dazu führt, dass die organische Phase der Membran in den beiden wässrigen Phasen verschwindet. Die Phase verfärbt sich blau und kann die Trenneinheit zerstören.

Khosravikia et al.37 analysierten die Übertragung von sauren und alkalischen Arzneimitteln durch EME und die Wirkung von Parametern wie angelegter Spannung, Membrandicke, anfänglicher Arzneimittelkonzentration, Zeit, pH-Wert der Donor-/Akzeptor-Extraktion, Penetrationskoeffizient der Arzneimittelspezies und Membranporosität Die EME-Leistung wurde durch Anwendung von Partitionierungsbedingungen bewertet. Die wichtigste Schlussfolgerung dieser Studien ist, dass der Fluss stark von der SLM-Potenzialdifferenz abhängt und dass eine zunehmende Potenzialdifferenz den Fluss erhöht; Die Ergebnisse dieser Studie können dazu beitragen, das EME-System besser zu verstehen, um geeignete Bedingungen zur Steigerung der EME-Extraktion des Arzneimittels zu finden. Dolatabadi et al.38 untersuchten eine binäre numerische Simulation, um das Verhalten des Stofftransfers und der Analytrückgewinnung in EME-Geräten zu untersuchen. Das vorgeschlagene Modell kann die Auswirkung verschiedener Parameter auf die EME-Erholung beschreiben. Die vorhergesagten Ergebnisse zeigen, dass die kritischsten Faktoren bei EME die Analytdiffusion, der Analytverteilungskoeffizient und die effektive protonierte Oberfläche in Donor- und Akzeptorlösungen sind. Das vorgeschlagene Modell hilft dabei, das Stoffübergangsverhalten des EME-Prozesses in praktischen Anwendungen vorherzusagen. Chalik et al.39 untersuchten den Transfer von Chrom(VI)-Ionen mithilfe eines elektroanalytischen EME-Ansatzes unter Verwendung eines SLM. Im EME-SLM-Prozess wurde das Danesi-Massentransfermodell verwendet, um kinetische Daten, die Geschwindigkeitskonstante, den Fluss, die Permeabilität und die Rückgewinnung für jeden untersuchten Parameter zu berechnen. Das vorgeschlagene Modell untersuchte Parameter wie Trägerwechsel, Trägerkonzentrationseffekte und Lösungsmittelwechseleffekt, und unter optimalen Bedingungen wurde eine Chrom(VI)-Übertragung mit einer Rückgewinnung von 54,73 % in 100 Minuten erzielt.

Cadmium ist ein giftiges Schwermetall, dessen Produktion im 20. Jahrhundert durch die Produktion von Nickel-Cadmium-Batterien, Metallverkleidungen und Kunststoffstabilisatoren zunahm. Die Exposition gegenüber Cadmium entsteht durch den Verzehr kontaminierter Lebensmittel, einschließlich Blattgemüse und Getreide, sowie durch Trinkwasser oder das Einatmen kontaminierter Luft. Bei Eisen-, Kalzium- oder Zinkmangel ist die Aufnahme von Cadmium im Darm besser. Tabakrauch ist die wichtigste Quelle der Cadmiumbelastung. Cadmium wird effektiv in Organen wie Nieren, Leber, Knochen, Lunge, Zentralnervensystem und Herz gespeichert und kann daher mehrere biologische Systeme stören40. In dieser Studie wurden der ionische Massentransfer und die Extraktionsrückgewinnung in SLM-Systemen eingehend untersucht. Mithilfe der numerischen Methode (finites Element) wurden Poisson-Gleichungen, modifizierte Nernst-Planck-Gleichungen und Navier-Stokes-Gleichungen (Stokes-Brinkmann-Gleichungen) gleichzeitig gelöst. Das betreffende System wurde für zwei verschiedene Modi untersucht, nämlich den EFSLM-Modus (für den Ionentransport wird eine elektrische Antriebskraft angewendet) und der FSLM-Modus (für den Ionentransport wird eine Geschwindigkeitsantriebskraft angewendet). Die Auswirkungen der genannten Antriebskraft, Membrandicke, Porosität, Festigkeit, Konzentration der anfänglichen Zufuhrphase, Cadmiumkonzentration auf die Extraktionsausbeute und den Stofftransferfluss wurden untersucht.

Wie in Abb. 1 schematisch dargestellt, wurde der Ionentransfer sowohl im FSLM- als auch im EFSLM-Modus auf die flüssigkeitsgestützte Membran angewendet. Die Phänomene der Gleichrichtung des Ionenstroms, der Ionenselektivität und des elektroosmotischen Flusses traten unter instationären Bedingungen auf. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, sind die Länge und Breite der Reservoirs gleich \({\text{H}}\) bzw. \({\text{Wf}}\), und schließlich die Membrandicke ist gleich \({\text{L}}_{{\text{m}}}\). Mittlerweile sind die Reservoirs groß genug, um die Endeffekte zu ignorieren. Um den Rechenaufwand zu erleichtern und zu reduzieren und die Symmetrie der Kammer um ihre Mittelachse zu gewährleisten, werden die Berechnungen für die Hälfte der Kammer durchgeführt. Beim FSLM befindet sich die Membran zwischen zwei Magnetrührern. Ebenso befindet sich die Membran im EFSLM-Modus zwischen zwei Elektroden, wobei die linke Elektrode die Arbeitselektrode ist und die rechte Elektrode mit der Erde verbunden ist. Durch Anlegen einer Spannung wird je nach Vorzeichen im Inneren des Kanals ein Ionenstrom aufgebaut. Wie in Abb. 2 dargestellt, gilt für den EFSLM/FSLM ein kartesisches Koordinatensystem \(\left( {{\text{x}},{\text{ y}},{\text{ z}}} \ rechts)\), dessen Ursprung auf der SLM-Achse in der rechten Tankwand liegt, wird verwendet11,41.

Schematische Darstellung des SLM-Prozesses mit Antriebskraft, (a) Geschwindigkeit und (b) elektrischer Kraft. (Beachten Sie, dass die Tafeln (a) und (b) den FSLM- bzw. EFSLM-Prozess zeigen.)

2-D-Ansicht der Elektromembranextraktion; (a) schematische Darstellung des gleichen Aufbaus des untersuchten Systems; (b) im Betrieb angewandte Randbedingungen.

Um das fragliche Problem zu lösen, wurde angenommen, dass sich das System in einem instationären Zustand befindet und, wie bereits erwähnt, das Strömungsregime laminar (Kriechströmung) ist und der Elektrolyt \({\text{HCl}}\) ist. Lösung, die eine newtonsche und inkompressible Flüssigkeit ist. Inzwischen wurde darüber nachgedacht; die Flüssigkeitsviskosität \({\upmu }_{{\text{E}}}\, der Diffusionskoeffizient der ionischen Spezies im Elektrolyten \({\text{D}}_{{{\text{E}}, {\text{j}}}}\) (\({\text{j }} = { }1\) für Kationen \(\left( {{\text{H}}^{ + } ,Cd^{ + 2} } \right)\) und \({\text{j }} = { }2\) Für Anionen \(\left( {{\text{Cl}}^{ - } } \right)\) ), die Elektrolytpermittivität \({\upvarepsilon }_{{\text{E}}}\), und \({\text{p}}\), \({\mathbf{u}}\), \ (\phi\) und \({\mathbf{N}}_{{\text{j}}}\) stellen den hydrodynamischen Druck, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, das elektrische Potential bzw. den Fluss ionischer Spezies dar. Das Phänomen wird unter Verwendung der modifizierten Poisson-Nernst-Planck- und Navier-Stokes-Gleichungen wie folgt formuliert:

Im FSLM-Modus:

Im EFSLM-Modus:

In den obigen Gleichungen ist die Ionendichte des Elektrolyten definiert als \({\uprho }_{{\text{E}}} = \sum\nolimits_{{{\text{j}} = 1}}^{ 2} {{\text{z}}_{{\text{j}}} {\text{Fc}}_{{\text{j}}} }\) wobei \({\text{z}} _{{\text{j}}}\) und \({\text{c}}_{{\text{j}}}\) sind die Ladungszahlen bzw. Konzentrationen der Ionenspezies im Elektrolyten. Die Parameter \({\text{F}}\), \({\text{R}}\), \({\uprho }\) und \({\text{T}}\) bezeichnen die Faraday-Konstante , die universelle Gaskonstante, die Flüssigkeitsdichte bzw. die absolute Temperatur des Systems.

Außerdem wird der Prozentsatz der Extraktionsrückgewinnung für jeden Analyten wie folgt berechnet:

wobei \(n_{{s,{\text{initial }}}}\) und \({\text{n}}_{{{\text{a}},{\text{final}}}}\ ) stehen für die Anzahl der Analytmole, die zunächst in der Probenphase bzw. schließlich in der Akzeptorphase verfügbar sind. \(V_{a}\) ist das Volumen der Akzeptorphase, \(V_{S}\) das Probenvolumen, \({\text{c}}_{{{\text{a}},{\text {final}}}}\) ist die Endkonzentration des Analyten in der Akzeptorlösung und \({\text{c}}_{{{\text{s}},{\text{initial}}}} \). die anfängliche Analytkonzentration in der Donorlösung.

Die für Gl. angenommenen Randbedingungen (1)–(5) sind in Tabelle 1 aufgeführt und in Abb. 2b dargestellt.

Vorausgesetzt, dass Gl. (1)–(5) sind voneinander abhängig und stark nichtlinear; Man sollte geeignete numerische Werkzeuge verwenden, um sie zu lösen. Hier wurden die Gleichungen mit der Software Comsol Multiphysics (5.6a) gelöst, die auf der Hochleistungs-Finite-Elemente-Methode basiert. Elektrostatik, Transport verdünnter Spezies und Kriechströmungsphysik wurden verwendet, um die vorliegende Studie mithilfe einer Kombination aus Dreiecks- und Quadratnetzen zu simulieren. Die Netzunabhängigkeitsstudie wurde an der konischen Geometrie durchgeführt, um die optimale Netzzahl zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass \(81644\) Maschen für den FSLM/EFSLM als optimale Maschenzahl ausreichten. Um die Leistung des vorliegenden Modells zu bewerten, werden die Ergebnisse außerdem erfolgreich mit den experimentellen Daten von Tehrani et al.42 verglichen, wie Sie in Abb. 3 sehen können

Vergleich zwischen numerischer Lösung des vorliegenden Modells und experimentellen Ergebnissen von Tehrani et al.42.

.

Die aktuelle Forschung untersuchte die Auswirkungen der verschiedenen Antriebskräfte sowohl im FSLM- als auch im EFSLM-Modus auf den Ionentransport und die Extraktionsrückgewinnung in einer flüssigkeitsgestützten Membran. Zu den untersuchten Einflussvariablen gehören die treibende Kraft, die Membrandicke, die Porosität, die Festigkeit, die anfängliche Konzentration der Zufuhrphase, die Cadmiumkonzentration und die angelegte Spannung. Die Werte der im Simulationsprozess verwendeten Parameter und Variablen sind in Tabelle 2 angegeben.

Um die Ergebnisse zu präsentieren, untersuchen wir zunächst die Ionentrennungskontur im Hinblick auf verschiedene Geschwindigkeiten zu einem festen Zeitpunkt von \(6{\text{ S}}\) im FSLM-System gemäß Abb. 4. Wie in Abb In Abb. 4 wird im mittleren Bereich aufgrund der turbulenten Strömung, die durch das Vorhandensein des Rührers entsteht, eine maximale Trennung erreicht. In diesem Bereich nimmt der konvektive Stofftransport zu, und der vorherrschende Mechanismus in diesem Bereich ist die Wirbelbewegung, und die Trennungsrate steigt für die beiden Enden mit einem weniger turbulenten Diffusionsmechanismus. Außerdem hat eine Erhöhung der Geschwindigkeit einen direkten Einfluss auf die Abscheidegeschwindigkeit.

Der Einfluss der Rührgeschwindigkeit auf die Ionentrennungsrate im FSLM-System.

Abbildung 5 zeigt den Effekt der angelegten Spannung und der Rührgeschwindigkeit auf die Übertragung ionischer Spezies unter \(L_{m} = 200 \mu m\), \(K = 0,8\), \(c_{0} = 100 mM\), \(\varepsilon_{p} = 0,8\), \(u_{0} = 0,01m/s\), \(V_{app} = 20 V\) und \(k_{p} = 10^{ - 8} m^{2}\) Bedingungen. Wie in Abb. 5 dargestellt, erfolgt die Übertragung ionischer Spezies im EFSLM-System mit einem einheitlichen Profil und Stopfen. Während im FSLM-System die Übertragung ionischer Spezies in einer dispergierten und heterogenen Verteilung erfolgt. Denn im EFSLM-System ist der Transfer ionischer Spezies aufgrund der elektrostatischen Kraft und der Bildung elektrischer Doppelschichten schneller und hat einen größeren Einfluss auf die Trenneffizienz38.

Vergleich der treibenden Kraft, (a) der elektrischen Kraft und (b) des Impulses beim Ionenartentransfer.

Die Auswirkung von Geschwindigkeit und Spannung auf die Ionentrennung ist in Abb. 6 dargestellt. Wie in Abb. 6a gezeigt, führt die angelegte Spannung zu einer elektrophoretischen Bewegung und einer Ionenbewegung, da sich das Ion im Inneren des Leiters befindet. Wenn hingegen die Geschwindigkeit der externe Faktor ist, es wird keine guten logischen Ausgänge haben. Wie in Abb. 6a dargestellt, wirkt sich eine Erhöhung der Spannung direkt auf die Extraktionseffizienz aus. Wie in Abb. 6b gezeigt, ist die Membranpermeabilität eine Funktion der Rührgeschwindigkeit auf der Lösungsseite. Durch eine zu starke Erhöhung der Rührgeschwindigkeit wird die Permeabilität unabhängig von der Rührgeschwindigkeit, sodass die Trennung in diesem Fall ihren Minimalwert erreicht43,44.

Der Einfluss von (a) angelegter Spannung und (b) Rührgeschwindigkeit auf die Extraktionsrückgewinnung.

Abbildung 7 veranschaulicht den Einfluss der Cadmiumkonzentration auf die Abscheiderate. Wie im elektrostatischen Prozess, Abb. 7a, gezeigt, nimmt der Stofftransportfluss mit zunehmender Cadmium(II)-Konzentration zu. Allerdings ist der Prozentsatz der Cadmiumionenextraktion bei höheren Metallionenkonzentrationen nicht signifikant, da die organische Phase mit einem Ion-Metall-Komplex gesättigt ist. Bei niedrigen Konzentrationen von Cadmiumionen hängt die Übertragung von Metallionen zunächst von der Aktivität der Metallionen ab, die der gleichen Konzentration entspricht, da der Aktivitätskoeffizient bei niedrigen Konzentrationen eins ist, bei hohen Konzentrationen jedoch der Aktivitätskoeffizient aufgrund des Kolumbianers Wechselwirkung zwischen Anion und Kation. Aufgrund der Erhöhung der Ionenstärke führt es zu einer geringen Salzaktivität und verringert somit die Extraktion45.

Der Einfluss der Cadmiumkonzentration auf die Extraktionsausbeute, (a) EFSLM und (b) FSLM.

Die Auswirkung der Anfangskonzentration der Zulaufphase auf die Extraktionseffizienz zu verschiedenen Zeiten ist in Abb. 8 dargestellt. Wie in Abb. 8a gezeigt, nimmt der Diffusionskoeffizient mit zunehmender Anfangskonzentration der Zulaufphase ab, was zu einer Masse führt Transferfluss. Wenn zunächst die Cadmiumkonzentration in der Zufuhrphase ansteigt, nimmt die Verfügbarkeit von Cadmiumionen an der Zufuhr-Membran-Grenze zu, was zu einem schnelleren Anstieg der chemischen Oberflächenreaktion und einem Anstieg des Flusses führt. Dies ist auf die Vergrößerung des aktiven Zentrums des Stofftransfers durch das Füllen der Poren mit komplexen Trägerspezies zurückzuführen. Nachdem die Membran jedoch längere Zeit in Betrieb war, füllen sich die Poren der Membran und die Trennung nimmt ab46.

Der Einfluss der Futtermittelkonzentration auf die Extraktionsausbeute, (a) EFSLM und (b) FSLM.

Um einen exponentiellen Effekt des Vorhandenseins von Nanopartikeln in der vorliegenden Studie auf die Trennrate zu erzielen, können die Membrandickenverteilung und die Porosität in den Abbildungen untersucht werden. 9 bzw. 10 Uhr zu unterschiedlichen Zeiten. Wie in Abb. 9 dargestellt, ist die Dicke der Membran proportional zum Stofftransportfluss. Andererseits nimmt mit zunehmender Membrandicke der Extraktionsprozentsatz ab, was zu einer Abnahme des Flusses und der Permeabilität führt (Abb. S1). Aus einem anderen Blickwinkel lässt sich sagen, dass die Anwesenheit von Nanopartikeln die hydrophoben Bereiche innerhalb der Membranporen vergrößert. Aus Abb. 10 lässt sich auch schließen, dass eine zunehmende Porosität die Permeabilität erhöht und die Ionentrennung fördert. Andererseits findet ab einem Bereich kein Trennvorgang statt, was zu einer verringerten Trenneffizienz führt (Abb. S2). Mit anderen Worten: Die Zugabe von Nanopartikeln verringert die Verstopfung und die Flussstabilität über einen längeren Zeitraum47.

Der Einfluss der Membrandicke auf die Extraktionsausbeute, (a) EFSLM und (b) FSLM.

Der Einfluss der Porosität auf die Extraktionsausbeute, (a) EFSLM und (b) FSLM.

Wie bereits erwähnt, wurde angenommen, dass der Stofftransport in der Flüssigkeitsmembran zur Abtrennung des gewünschten Ions mit einem Widerstand einhergeht. Die Auswirkung des Stoffübergangswiderstands auf die Extraktionseffizienz für zwei EFSLM-Systeme, FSLM, ist in Abb. 11 dargestellt. Wie in Abb. 11b zu sehen ist. Wenn k abnimmt, steigt der Wiederherstellungsprozentsatz. Wenn k abnimmt, wird der Raum kleiner, und wie Sie in der Abbildung sehen können, neigen die Ionen dazu, sich bei einer Neigung in Richtung 0,5 in einem Bereich mit einer größeren Permeabilität zu befinden. Ja, bei Anwendung des Trennkoeffizienten verringert sich die Durchlässigkeit einer Seite. Wenn die Permeabilität groß ist, steigt die Konzentration, und wie in Abb. S3 gezeigt, nimmt auch k ab, und infolgedessen steigt der Rückgewinnungsprozentsatz. Während in Abb. 11a das Gegenteil dieses Sachverhalts durch die Entstehung der gleichnamigen Kraft und Abstoßung zwischen den Lasten zu erkennen ist, verringert sich dadurch die Erholung.

Der Einfluss des Partitionseffekts auf die Extraktionswiederherstellung, (a) EFSLM und (b) FSLM.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Auswirkung der Anwesenheit von elektrostatischer Kraft und Rührwerk unter Berücksichtigung unterschiedlicher Werte der Permeabilität und des Diffusionskoeffizienten für die beiden Systeme EFSLM und FSLM untersucht. Simulationen instabiler Zustände wurden unter Verwendung von Poisson-Nernst-Planck- und Laminar-Flow-Gleichungen unter Verwendung eines Finite-Elemente-Ansatzes durchgeführt. Das entwickelte Modell wurde durch den Vergleich der Ergebnisse mit vorhandenen theoretischen und experimentellen Daten validiert. Die Auswirkung verschiedener Parameter (Spannung, Membrandicke, Porosität, Widerstand, Anfangskonzentration der Zufuhrphase, Cadmiumkonzentration) auf die Trennrate sowohl im FSLM- als auch im EFSLM-Modus wurde untersucht. Zufällig ist bei allen Formen die Trennrate beim FSLM-Verfahren mit Rührwerk viel geringer als beim EFSLM-Verfahren mit elektrischem Feld. Die Ergebnisse wurden ausgewertet, indem die Auswirkungen hydrodynamischer Parameter auf die Trennleistung im Zeitverlauf untersucht wurden. Es wurde auch die Wirkung der Anwesenheit von Nanopartikeln als Oberflächenaktivatoren zur Oberflächenmodifizierung untersucht, um so ein Verstopfen, Ansammeln und Ablagern auf der Oberfläche der stabilisierten Flüssigkeitsmembran weitestgehend zu verhindern. Die Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein von Nanopartikeln einen erheblichen Einfluss auf die Penetration des SLM-Systems hat, und es kann gefolgert werden, dass hydrophobe Nanopartikel wünschenswerter sind und die Morphologie der Membran beeinflussen.

Die Daten sind [von Ahmad Rahbar-Kelishami] mit Genehmigung von [Ahmad Rahbar-Kelishami] verfügbar. Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor, [Mahdiyeh Monesi], erhältlich.

Chang, SH, Teng, TT & Ismail, N. Extraktion von Cu (II) aus wässrigen Lösungen durch organische Lösungsmittel auf Pflanzenölbasis. J. Hazard. Mater. 181, 868–872. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.05.093 (2010).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Jean, E., Villemin, D., Hlaibi, M. & Lebrun, L. Schwermetallionenextraktion unter Verwendung neuer unterstützter Flüssigkeitsmembranen, die ionische Flüssigkeit als Träger enthalten. Sep. Purif. Technol. 201, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.02.033 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Amini, M., Rahbar-Kelishami, A., Alipour, M. & Vahidi, O. Metallionentrennung in unterstützter Flüssigmembran: ein Überblick. J. Mitglied Wissenschaft. Res. 4, 121–135. https://doi.org/10.22079/jmsr.2017.63968.1138 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Tuzen, M., Saygi, KO & Soylak, M. Festphasenextraktion von Schwermetallionen in Umweltproben auf mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren. J. Hazard. Mater. 152, 632–639. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.026 (2008).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Drouin, N., Kubáň, P., Rudaz, S., Pedersen-Bjergaard, S. & Schappler, J. Elektromembranextraktion: Überblick über das letzte Jahrzehnt. TrAC Trends Anal. Chem. 113, 357–363. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.10.024 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Shayesteh, H., Raji, F. & Kelishami, AR Einfluss der Alkylkettenlänge von Tensiden auf den Adsorptionsprozess: eine Fallstudie. Surfen. Schnittstellen 22, 100806. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100806 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Sarbisheh, F., Norouzbeigi, R., Hemmati, F. & Shayesteh, H. Anwendung der Reaktionsoberflächenmethodik zur Modellierung und Optimierung der Malachitgrün-Adsorption durch modifiziertes Sphagnum-Torfmoos als kostengünstiges Biosorbens. Entsalzung. Wassergenuss. 59, 230–242. https://doi.org/10.5004/dwt.2016.1728 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Ashrafi, A., Rahbar-Kelishami, A. & Shayesteh, H. Hocheffiziente simultane ultraschallunterstützte Adsorption von Pb (II) durch magnetische Kern-Schale-Nanopartikel aus Fe3O4@ MnO2: Synthese und Charakterisierung, kinetische, Gleichgewichts- und thermodynamische Studien. J. Mol. Struktur. 1147, 40–47. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.06.083 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zeng, L., Liu, Q., Luo, L., Liu, L. & Tang, K. Verbesserungsmechanismus einer verbesserten Flüssigkeitsmembran unter Verwendung eines selektiven Permeationshemmers zur Trennung von Schwermetallionen. Chem. Ing. Wissenschaft. 201, 1–14. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.02.017 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Klemz, AC et al. Ölfeldwasseraufbereitung durch Flüssig-Flüssig-Extraktion: ein Rückblick. J. Pet. Wissenschaft. Ing. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2020.108282 (2020).

Artikel Google Scholar

Khatibi, M., Ashrafizadeh, SN & Sadeghi, A. Die Abdeckung der konischen Nanokanäle mit dichten Polyelektrolytschichten verbessert die Gleichrichtung des Ionenstroms erheblich. Anal. Chim. Acta 1122, 48–60. https://doi.org/10.1016/j.aca.2020.05.011 (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Łukomska, A., Wiśniewska, A., Dąbrowski, Z. & Domańska, U. Flüssig-Flüssig-Extraktion von Kobalt (II) und Zink (II) aus wässrigen Lösungen unter Verwendung neuartiger ionischer Flüssigkeiten als Extraktionsmittel. J. Mol. Liq. 307, 112955. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112955 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, J. et al. Flüssig-Flüssig-Extraktion und visueller Nachweis von Hg2+ in wässriger Lösung durch lumineszierende CsPbBr 3 -Perowskit-Nanokristalle. Mikrochem. J. 170, 106769. https://doi.org/10.1016/j.microc.2021.106769 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Manaka, A., Ueno, Y., Tafu, M. & Kato, T. Einfache und hochempfindliche kolorimetrische Analyse von Cadmium mittels homogener Flüssig-Flüssig-Extraktion. Anal. Wissenschaft. https://doi.org/10.2116/analsci.21N029 (2021).

Artikel PubMed Google Scholar

Azarang, A., Rahbar-Kelishami, A., Norouzbeigi, R. & Shayesteh, H. Modellierung und Optimierung der Pertraktionsleistung von Schwermetallionen aus wässrigen Lösungen unter Verwendung von M2EHPA/D2EHPA: Anwendung der Reaktionsoberflächenmethodik. Umgebung. Technol. Innov. 15, 100432. https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100432 (2019).

Artikel Google Scholar

Farahani, A., Rahbar-Kelishami, A. & Shayesteh, H. Mikrofluidische Lösungsmittelextraktion von Cd (II) im Parallelflussmuster: Optimierung, Ionenaustausch und Stofftransferstudie. Sep. Purif. Technol. 258, 118031. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.118031 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, Z. et al. Hochdurchsatz-Metallfalle: Sulfhydryl-funktionalisierte Holzmembranstapel für die schnelle und hocheffiziente Entfernung von Schwermetallionen. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen. 12, 15002–15011. https://doi.org/10.1021/acsami.9b19734 (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Khatibi, M., Ashrafizadeh, SN & Sadeghi, A. Steigerung der Stromerzeugung durch umgekehrte Elektrodialyse in weichen Nanokanälen durch Anpassung der Eigenschaften der weichen Schicht. Elektrochim. Acta 395, 139221. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.139221 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Khatibi, M., Sadeghi, A. & Ashrafizadeh, SN Verdreifachung der Stromerzeugung durch umgekehrte Elektrodialyse in konischen Nanokanälen unter Verwendung weicher Oberflächen. Physik. Chem. Chem. Physik. 23, 2211–2221. https://doi.org/10.1039/D0CP05974A (2021).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Foong, CY, Wirzal, MDH & Bustam, MA Ein Überblick über Nanofasermembranen mit ionischer Flüssigkeit auf Aminobasis zur Schwermetallentfernung. J. Mol. Liq. 297, 111793. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111793 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Qasem, NAA, Mohammed, RH & Lawal, DU Entfernung von Schwermetallionen aus Abwasser: eine umfassende und kritische Übersicht. Npj Sauberes Wasser 4, 1–15. https://doi.org/10.1038/s41545-021-00127-0 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Ayoubi, S., Khatibi, M. & Ashrafizadeh, SN Ein Variationsansatz zur Reduzierung der Verschmutzung durch den elektroosmotischen Fluss in Mikrokanälen mit porösen Wänden. Mikroflüssigkeit. Nanofluid. 25, 1–13. https://doi.org/10.1007/s10404-021-02501-3 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Charcosset, C. Klassische und neuere Anwendungen von Membranprozessen in der Lebensmittelindustrie. Lebensmittel-Ing. Rev. 13, 322–343. https://doi.org/10.1007/s12393-020-09262-9 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Toh, KY, Liang, YY, Lau, WJ & Fimbres Weihs, GA Ein Überblick über CFD-Modellierung und Leistungsmetriken für osmotische Membranprozesse. Membranes 10, 285. https://doi.org/10.3390/membranes10100285 (2020).

Artikel PubMed Central CAS Google Scholar

Zante, G., Boltoeva, M., Masmoudi, A., Barillon, R. & Trebouet, D. Hochselektiver Transport von Lithium durch eine unterstützte Flüssigkeitsmembran. J. Fluorine Chem. 236, 109593. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2020.109593 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Dash, S. & Mohanty, S. Mathematischer Modellierungsaspekt bei der Lösungsmittelextraktion von Metallen. Sep. Purif. Rev. 50, 74–95. https://doi.org/10.1080/15422119.2019.1648294 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Tao, J., Tao, Z. & Zhihong, L. Übersicht über Ressourcen und Recycling von Germanium, mit besonderem Fokus auf Eigenschaften, Mechanismen und Herausforderungen der Lösungsmittelextraktion. J. Sauber. Prod. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126217 (2021).

Artikel Google Scholar

Karimzadeh, M., Khatibi, M. & Ashrafizadeh, SN Auswirkungen der temperaturabhängigen Eigenschaften auf das Ionentransportverhalten in weichen Nanokanälen. Int. Komm. Heat Mass Transfer 129, 105728. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105728 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Alinezhad, A., Khatibi, M. & Nezameddin Ashrafizadeh, S. Einfluss asymmetrischer weicher Schichten und Ionenverteilung auf die Ionenstromgleichrichtung in bipolaren Nanokanälen. J. Mol. Liq. 347, 118324. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.118324 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Tehrani, BM & Rahbar-Kelishami, A. Einfluss eines durch Brownsche Bewegung induzierten verstärkten Stofftransfers auf unterstützte Nanoflüssigkeitsmembranen: Experimentelle Korrelation und numerische Modellierung. Int. J. Wärme-Massentransf. 148, 119034. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119034 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zaheri, P., Davarkhah, R. & Zahakifar, F. Extraktion von Uran aus der Schwefelsäurelösung unter Verwendung einer Polymereinschlussmembran, die Alamin336 enthält. J. Nucl. Wissenschaft. Technol. (JonSat) 42, 28–36. https://doi.org/10.24200/nst.2021.1293 (2021).

Artikel Google Scholar

Falaki, F., Shamsipur, M. & Shemirani, F. Gleichzeitige selektive Trennung von Silber(I)- und Blei(II)-Ionen aus einer einzelnen verdünnten Quelllösung durch zwei unterstützte Flüssigkeitsmembranen, die aus selektiven Kronenethern in supramolekularem Lösungsmittel bestehen. Chem. Artikel https://doi.org/10.1007/s11696-021-01734-4 (2021).

Artikel Google Scholar

He, D., Luo, Träger. Entsalzung 194, 40–51. https://doi.org/10.1016/j.desal.2005.10.024 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Sadeghi, MH, Tofighy, MA & Mohammadi, T. Eindimensionales Graphen für eine effiziente wässrige Schwermetalladsorption: Schnelle Entfernung von Arsen- und Quecksilberionen durch Graphenoxid-Nanobänder (GONRs). Chemosphere 253, 126647. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126647 (2020).

Artikel ADS PubMed CAS Google Scholar

Ur Rehman, H. et al. Transport von Zn (II) durch TDDA-Polypropylen-gestützte Flüssigmembranen und Rückgewinnung von Zn (II) aus der Abfallflüssigkeit einer Verzinkungsanlage. J. Chem. 2017, 7569354. https://doi.org/10.1155/2017/7569354 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Martínez, J., Rodríguez Varela, R., Forsberg, K. & Rasmuson, Å. Faktoren, die die Trennselektivität von Seltenerdelementen in flachen, foliengestützten Flüssigmembranen beeinflussen. Chem. Ing. Wissenschaft. 191, 134–155. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.06.018 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Khosravikia, M. & Rahbar-Kelishami, A. Eine Simulationsstudie eines angewandten Ansatzes zur Verbesserung der Arzneimittelrückgewinnung durch Elektromembranextraktion. J. Mol. Liq. 358, 119210. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119210 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Dolatabadi, R., Mohammadi, A. & Baghani, M. Eine Computersimulation der Elektromembranextraktion basierend auf Poisson-Nernst-Planck-Gleichungen. Anal. Chim. Acta 1158, 338414. https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338414 (2021).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Çalık, G., Kaya, A., Onac, C., Aytaç, A. & Alpoguz, HK Kinetische Analyse des Cr(VI)-Transports mit Elektromembranprozessen. J Chem. Technol. Biotechnologie. 97, 662–667. https://doi.org/10.1002/jctb.6948 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Seifollahi, Z. & Rahbar-Kelishami, A. Diclofenac-Extraktion aus wässriger Lösung durch eine Emulsionsflüssigkeitsmembran: Parameterstudie und Optimierung mithilfe der Reaktionsoberflächenmethodik. J. Mol. Liq. 231, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.01.081 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Karimzadeh, M., Seifollahi, Z., Khatibi, M. & Ashrafizadeh, SN Auswirkungen der Form weicher Nanokanäle auf ihre Ionenselektivität und Stromgleichrichtung. Elektrochim. Acta 399, 139376. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.139376 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Mohammad Tehrani, B. & Rahbar-Kelishami, A. Eine neuartige Korrelation des Massentransferkoeffizienten für eine verbesserte Extraktion von Seltenerdmetallen über eine unterstützte Nanoflüssigkeitsmembran. Chem. Ing. Verfahren. Prozessintensiv. 143, 107625. https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.107625 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Fadaei, F., Shirazian, S. & Ashrafizadeh, SN Stofftransfersimulation der Lösungsmittelextraktion in Hohlfasermembrankontaktoren. Entsalzung 275, 126–132. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.02.039 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Xia, L. et al. Jüngste Fortschritte bei Techniken zur schnellen Probenvorbereitung. Anal. Chem. 92, 34–48. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b04735 (2019).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Ghanbarian, B., Hunt, AG, Ewing, RP & Sahimi, M. Tortuosität in porösen Medien: eine kritische Rezension. Bodenwissenschaft. Soc. Bin. J. 77, 1461–1477. https://doi.org/10.2136/sssaj2012.0435 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zarghampour, F., Yamini, Y., Baharfar, M., Javadian, G. & Faraji, M. On-Chip-Elektromembranextraktion, gefolgt von empfindlicher digitaler bildbasierter Kolorimetrie zur Bestimmung von Spurenmengen von Cr (vi). Anal. Methoden 12, 483–490. https://doi.org/10.1039/C9AY02328C (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Huang, C., Jensen, H., Seip, KF, Gjelstad, A. & Pedersen-Bjergaard, S. Stofftransfer bei der Elektromembranextraktion – die Verbindung zwischen Theorie und Experimenten. J. Sep. Sci. 39, 188–197. https://doi.org/10.1002/jssc.201500905 (2016).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Forschungslabor für fortgeschrittene Trennprozesse, Abteilung für Chemieingenieurwesen, Iranische Universität für Wissenschaft und Technologie, Narmak, 16846-13114, Teheran, Iran

Mahdiyeh Monesi, Mahdi Khatibi und Ahmad Rahbar-Kelishami

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

MM hat den Haupttext geschrieben. MM und MK vorbereitete Figuren. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Ahmad Rahbar-Kelishami.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Monesi, M., Khatibi, M. & Rahbar-Kelishami, A. Eine Simulationsstudie einer Elektromembranextraktion zur Verbesserung des Ionentransports durch Anpassung der elektrostatischen Eigenschaften. Sci Rep 12, 12170 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16482-y

Zitat herunterladen

Eingegangen: 31. Januar 2022

Angenommen: 11. Juli 2022

Veröffentlicht: 16. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16482-y

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.