Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (2), 135-148.

Каталітичні властивості поліетерсульфонових мембран, модифікованих наночастинками SnO2



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.02.135

I. S. Kolesnyk, O. Ya. Dzhodzhyk, V. V. Konovalova, H. A. Sorokin, T. H. Meshkova, A. F. Burban, S. M. Tsaryk

Анотація


Метою роботи було отримати мембрани з фотокаталітичними та антизабруднювальними властивостями. Для цього поліетерсульфонові мембрани модифікували поліелектролітними комплексами та наночастинками SnO2 методом почергової адсорбції протилежно заряджених поліелектролітів. До поверхні мембран були прищеплені транс-корична і гідрокорична кислоти шляхом утворення амідного зв’язку між карбоксильною групою кислот та аміногрупами поліетиленіміну. Модифікування мембран наночастинками підтверджене методами сканувальної електронної мікроскопії, енергодисперсійної спектроскопії та електрокінетичним аналізом. Усі досліджені мембрани характеризуються наявністю ізоелектричної точки у діапазоні рН 4.5–5.0, позитивним ζ-потенціалом у кислому середовищі і негативним – у нейтральному і лужному середовищах. Адсорбційні, фотокаталітичні та транспортні властивості мембран були досліджені з використанням родаміну Ж. Показано, що іммобілізація наночастинок станум(IV) оксиду знижує адсорбцію барвника на поверхні мембран у 2 рази. Підтверджено, що модифікування мембран призвело до появи у них фотокаталітичних властивостей. Так, мембрани з наночастинками станум(IV) оксиду характеризуються високим ступенем розкладання родаміну Ж           (40–50 %) за 1.5 год за початкової концентрації барвника 1.2·103 %. Усі кінетичні криві розкладання родаміну Ж на мембранах описуються рівнянням псевдопершого порядку Ленгмюра-Хіншельвуда. Встановлено, що прищеплення транс- і гідрокоричної кислот впливає на рН-оптимум фотокаталітичної активності мембран. Так, мембрана, модифікована лише наночастинками станум(IV) оксиду, проявляє найвищу активність у кислому середовищі при рН 3.1. При додатковому модифікуванні мембран транс-коричною кислотою рН-максимум фотокаталітичної активності зсувається у лужну область (рН 9.0), а гідрокоричною кислотою - у нейтральну область (рН 7.0). Показано, що модифіковані мембрани виявляють стабільну продуктивність у процесі нанофільтрації барвника і високі ступені його затримки (70–90 %).


Ключові слова


поліетерсульфонова мембрана; станум(IV) оксид; метод «layer-by-layer»; родамін Ж; фотокаталіз

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Geng Z., Yang X., Boo C., Zhu S., Lu Y., Fan W., Huo M., Elimelech M., Yang X. Self-cleaning anti-fouling hybrid ultrafiltration membranes via side chain grafting of poly(aryl ether sulfone) and titanium dioxide. J. Membr. Sci. 2017. 529: 1. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.01.043

2. Zhang X., Ren P.F., Yang H.C., Wan L.S., Xu Z.K. Co-deposition of tannic acid and diethlyenetriamine for surface hydrophilization of hydrophobic polymer membranes. Appl. Surf. Sci. 2016. 360: 291. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.11.015

3. Yang H.C., Wu M.B., Li Y.J., Chen Y.F., Wan L.S., Xu Z.K. Effects of polyethyleneimine molecular weight and proportion on the membrane hydrophilization by codepositing with dopamine. J. Appl. Polym. Sci. 2016. 133(32): 1. https://doi.org/10.1002/app.43792

4. Leong S., Razmjou A., Wang K., Hapgood K., Zhang X., Wang H. TiO2 based photocatalytic membranes: A review. J. Membr. Sci. 2014. 472: 167. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.08.016

5. Konovalova V., Kolesnyk I., Ivanenko O., Burban A. Fe2+ removal from water using PVDF membranes, modified with magnetite nanoparticles, by polyelectrolyte enhanced ultrafiltration. Environment Protection Engineering. 2018. 21(1): 39. https://doi.org/10.17512/ios.2018.1.4

6. Kolesnyk I., Konovalova V., Kharchenko K., Burban A., Knozowska K., Kujawski W., Kujawa J. Improved antifouling properties of polyethersulfone membranes modified with α-amylase entrapped in Tetronic® micelles. J. Membr. Sci. 2019. 570-571: 436. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.10.064

7. Konovalova V., Guzikevich K., Burban A., Kujawski W., Jarzynka K., Kujawa J. Enhanced starch hydrolysis using α-amylase immobilized on cellulose ultrafiltration affinity membrane. Carbohydr. Polym. 2016. 152: 710. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.07.065

8. Song H., Shao J., Wang J., Zhong X. The removal of natural organic matter with LiCl-TiO2-doped PVDF membranes by integration of ultrafiltration with photocatalysis. Desalination. 2014. 344: 412. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.04.012

9. Laohaprapanon S., Vanderlipe A.D., Doma B.T., You S.J. Self-cleaning and antifouling properties of plasma-grafted poly(vinylidene fluoride) membrane coated with ZnO for water treatment. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2017. 70: 15. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2016.10.019

10. Li R., Ren Y., Zhao P., Wang J., Liu J., Zhang Y. Graphitic carbon nitride (g-C3N4) nanosheets functionalized composite membrane with self-cleaning and antibacterial performance. J. Hazard. Mater. 2019. 365: 606. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.11.033

11. Pastrana-Martínez L.M., Morales-Torres S., Figueiredo J.L., Faria J.L., Silva A.M.T. Graphene oxide based ultrafiltration membranes for photocatalytic degradation of organic pollutants in salty water. Water Res. 2015. 77: 179. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.03.014

12. Xu Z., Wu T., Shi J., Teng K., Wang W., Ma M., Li J., Qian X., Li C., Fan J. Photocatalytic antifouling PVDF ultrafiltration membranes based on synergy of graphene oxide and TiO2 for water treatment. J. Membr. Sci. 2016. 520: 281. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.07.060

13. Zinadini S., Rostami S., Vatanpour V., Jalilian E. Preparation of antibiofouling polyethersulfone mixed matrix NF membrane using photocatalytic activity of ZnO/MWCNTs nanocomposite. J. Membr. Sci. 2017. 529: 133. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.01.047

14. Bai H., Zan X., Zhang L., Sun D.D. Multi-functional CNT/ZnO/TiO2 nanocomposite membrane for concurrent filtration and photocatalytic degradation. Sep. Purif. Technol. 2015. 156: 922. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.10.016

15. Yu S., Wang Y., Sun F., Wang R., Zhou Y. Novel mpg-C3N4/TiO2 nanocomposite photocatalytic membrane reactor for sulfamethoxazole photodegradation. Chem. Eng. J. 2018. 337: 183.nhttps://doi.org/10.1016/j.cej.2017.12.093

16. Dzhodzhyk O., Kolesnyk I., Konovalova V., Burban A. Modified polyethersulfone membranes with photocatalytic properties. Chem. Chem. Technol. 2017. 11(3): 377. https://doi.org/10.23939/chcht11.03.277

17. Coto M., Troughton S.C., Duan J., Kumar R.V., Clyne T.W. Development and assessment of photo-catalytic membranes for water purification using solar radiation. Appl. Surf. Sci. 2018. 433: 101. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.027

18. Mansourpanah Y., Madaeni S.S., Rahimpour A., Farhadian A., Taheri A.H. Formation of appropriate sites on nanofiltration membrane surface for binding TiO2 photo-catalyst: Performance, characterization and fouling-resistant capability. J. Membr. Sci. 2009. 330: 297. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.01.001

19. Zhang H., Quan X., Chen S., Zhao H., Zhao Y. Fabrication of photocatalytic membrane and evaluation its efficiency in removal of organic pollutants from water. Sep. Purif. Technol. 2006. 50(2): 147. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2005.11.018

20. Alkaim A.F., Aljeboree A.M., Alrazaq N.A., Baqir S.J., Hussein F.H., Lilo A.J. Effect of pH on adsorption and photocatalytic degradation efficiency of different catalysts on removal of methylene blue. Asian J. Chem. 2014. 26(24): 8445. https://doi.org/10.14233/ajchem.2014.17908

21. Reza K.M., Kurny A., Gulshan F. Parameters affecting the photocatalytic degradation of dyes using TiO2: a review. Appl. Water Sci. 2017. 7(4): 1569. https://doi.org/10.1007/s13201-015-0367-y

22. Chen Y., Yang S., Wang K., Lou L. Role of primary active species and TiO2 surface characteristic in UV-illuminated photodegradation of Acid Orange 7. J. Photochem. Photobiol. A. 2005. 172(1): 47. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2004.11.006

23. Rehman S., Ullah R., Butt A.M., Gohar N.D. Strategies of making TiO2 and ZnO visible light active. J. Hazard. Mater. 2009. 170(2-3): 560. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.05.064




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.02.135

Copyright (©) 2019 I. S. Kolesnyk, O. Ya. Dzhodzhyk, V. V. Konovalova, H. A. Sorokin, T. H. Meshkova, A. F. Burban, S. M. Tsaryk