Улучшенная очистка воды с помощью ультрафильтрационной мембраны ПВДФ, модифицированной ГО.

Том 13 научных докладов, номер статьи: 8076 (2023) Цитировать эту статью

331 Доступов

Подробности о метриках

В этой работе представлена ​​модифицированная ультрафильтрационная мембрана из поливинилиденфторида (ПВДФ), смешанная с гидрогелем (ГГ) оксида графена, поливинилового спирта и альгината натрия (ГО-ПВС-NaAlg) и поливинилпирролидона (ПВП), полученная методом инверсии фазы, индуцированной иммерсионным осаждением. Характеристики мембран с различными концентрациями HG и ПВП были проанализированы методами автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM), атомно-силовой микроскопии (AFM), измерения угла смачивания (CA) и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье-спектроскопии ослабленного полного отражения (ATR-FTIR). Изображения FESEM показали асимметричную структуру изготовленных мембран, имеющих тонкий плотный слой сверху и слой в форме пальца. С увеличением содержания HG шероховатость поверхности мембраны увеличивается, так что наибольшая шероховатость поверхности для мембраны, содержащей 1 мас.% HG, имеет значение Ra 281,4 нм. Кроме того, контактный угол мембраны достигает от 82,5° в мембране из чистого ПВДФ до 65,1° в мембране, содержащей 1 мас.% HG. Было оценено влияние добавления HG и PVP в литейный раствор на поток чистой воды (PWF), гидрофильность, противообрастающую способность и эффективность отторжения красителя. Самый высокий поток воды достигал 103,2 л/м2 ч при давлении 3 бар для модифицированных мембран из ПВДФ, содержащих 0,3 мас.% HG и 1,0 мас.% ПВП. Эта мембрана продемонстрировала эффективность отторжения более 92%, 95% и 98% для метилового оранжевого (MO), конге-красного (CR) и бычьего сывороточного альбумина (BSA) соответственно. Все нанокомпозитные мембраны обладали коэффициентом восстановления потока (FRR) выше, чем у чистых мембран из ПВДФ, а наилучшие противообрастающие характеристики (90,1%) были присущи мембране, содержащей 0,3 мас.% HG. Улучшенные фильтрационные характеристики мембран, модифицированных HG, были обусловлены повышением гидрофильности, пористости, среднего размера пор и шероховатости поверхности после введения HG.

Вода — жизненно важный источник жизни, необходимый организмам для выживания; однако лишь ограниченное количество доступной воды содержит пресную воду1,2. Одними из основных загрязнителей сточных вод различных отраслей промышленности, в основном текстильной и бумажной, являются красители, которые представляют опасность для здоровья человека и создают пагубные экологические проблемы3. Красители текстильной промышленности имеют высокую молекулярную массу, не поддаются биологическому разложению, содержат токсичные реагенты и сложную структуру. Более того, красители как барьер для излучения света нарушают рост водных растений; поэтому очистка таких сточных вод жизненно важна4,5. Общие методы очистки сточных вод, содержащих красители, включают химическое/фотокаталитическое окисление, адсорбцию, мембранное разделение и коагуляцию6. Из-за высоких требований к энергии и ограниченной возможности повторного использования традиционных технологий очистки больше внимания уделяется процессам мембранного разделения, отличающимся высокой эффективностью, простотой эксплуатации и снижением энергопотребления7,8. Мембранные процессы, основанные на силе давления, включают микрофильтрацию (МФ)9,10, ультрафильтрацию (УФ)11, нанофильтрацию (НФ)12 и обратный осмос (ОО)13. Метод УФ широко применяется при очистке воды, загрязненной различными красителями14.

Поливинилиденфторид (ПВДФ) является подходящим веществом для изготовления УФ-полимерных мембран благодаря своей хорошей химической стойкости, термической стабильности и механической прочности15. Мембраны из ПВДФ относительно гидрофобны или менее гидрофильны, что приводит к загрязнению мембран белками и органическими веществами при очистке сточных вод. Загрязнение мембраны сокращает срок ее службы и поток воды, а также увеличивает затраты на электроэнергию16. Следовательно, гидрофильность мембраны значительно снижается9. Различные методы могут улучшить гидрофильность и противообрастающие характеристики таких мембран; например, неорганические наночастицы были включены в матрицу мембраны, что привело к повышению гидрофильности и предотвращению обрастания. Ву и др. синтезировали композитную мембрану PVDF-SiO2 с помощью метода фазовой инверсии (PI), продемонстрировав, что добавление SiO2 улучшает устойчивость мембраны к загрязнению17. Ян и др. синтезировали модифицированные мембраны ПВДФ/Al2O3 методом ПИ. Анализы АСМ и СЭМ показали, что наночастицы Al2O3 улучшают противообрастающие свойства мембраны и улучшают поток проникновения по сравнению с немодифицированной мембраной18. Другие наночастицы включают диоксид титана (TiO2)19, оксид железа (Fe3O4)20, углеродные нанотрубки (УНТ)21 и оксид графена (GO)22, которые используются при изготовлении мембран для успешного удаления красителей.