Micellar-Enhanced Ultrafiltration to Remove Nickel Ions: A Response Surface Method and Artificial Neural Network Optimization

Abstract

Nickel ions from aqueous solutions were removed by micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF), using the surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS) as a chelating agent. Process variables and indicators were modeled and optimized by a response surface methodology (RSM), using the Box–Behnken design (BBD). The generated quadratic models described the relationship between a performance indicator (nickel rejection rate or permeate flux) and process variables (pressure, nickel concentration, SDS concentration, and molecular weight cut-off (MWCO)). The analysis of variance (ANOVA) showed that both models are statistically significant. To remove 1 mM of nickel ions, the optimal condition for maximum nickel removal and flux were: pressure = 30 psi, CSDS = 10.05 mM, and MWCO = 10 kDa, resulting in a rejection rate of 98.16% and a flux of 119.20 L/h∙m2. Experimental verification indicates that the RSM model could adequately describe the performance indicators within the examined ranges of the process variables. An artificial neural network (ANN) modelling followed to predict the MEUF performance and validate the RSM results. The obtained ANN models showed good fitness to the experimental data.

Usuwanie Jonów Chromu Z Roztworów Micelarnych Techniką Meuf: Badania Aktywności Powierzchniowej Oraz Właściwości Micelarnych Surfaktantów I Ich Mieszanin

“…critical micelle concentration), a następnie w powstałych micelach solubilizowane są molekuły wydzielanych składników, podczas gdy jony separowanych metali adsorbowane są na powierzchni micel. Średnica micel, zazwyczaj większa od średnicy porów membrany UF stosowanej w procesach MEUF sprawia, że w wyniku filtracji roztworu micelarnego micele z solubilizatem pozostają w koncentracie (retentacie), natomiast filtrat (permeat) zawiera niezasolubilizowane molekuły separowanych związków lub niezaadsorbowane jony metali oraz pewne ilości monomerycznych cząsteczek surfaktantu [3]. O atrakcyjności procesu MEUF w porównaniu do klasycznych metod rozdziału stanowi przede wszystkim wyeliminowanie rozpuszczalnika organicznego z separowanego układu [3][4][5][6][7][8][9].…”

“…Ścieki zawierające związki chromu na +3 i +6 stopniu utlenienia, a także inne metale ciężkie, powstają głównie w garbarniach, w galwanizerniach, w procesach chromowania, chromianowania i trawienia różnych metali oraz w zakładach wytwarzających związki chromu. Według dostępnych danych literaturowych [37] w Polsce średnia roczna ilość ścieków chromowych, wymagających oczyszczania, wynosi ok. 5 mln m 3 .…”

“…Przeprowadzono pomiary napięcia powierzchniowego dla układów powietrze/woda (bez dodatku elektrolitu), a także powietrze/wodny roztwór soli Cr(III), takich jak: Cr(NO 3 ) 3 , Cr 2 (SO 4 ) 3 , Cr(ClO 4 ) 3 , CrCl 3 . We wszystkich badanych układach stosowano roztwory soli Cr(III) o stężeniu równym 0,1 g/dm 3 . Wyznaczone izotermy równowagowego napięcia powierzchniowego pokazano na rys.…”

“…Rysunek 4. Porównanie wartości równowagowego napięcia powierzchniowego wodnych roztworów SDS, Rofam10 oraz mieszaniny SDS+Rofam10 w obecności różnych anionów soli chromu(III); stężenie elektrolitu 0,1 g/dm 3 ; stężenie surfaktantu 0,005 CMC względem danego zpc wg Tabeli 1) Figure 4.…”

“…Comparison of the equilibrium surface tension values of solutions: SDS, Rofam10 and SDS + Rofam10 mixture in the presence of different Cr(III) salt anions; electrolyte concentration 0.1 g/dm 3 ; surfactant concentration 0.005 CMC relative to a given compound, according to Table 1. )…”