I. Предыстория исследований и технические узкие места
Керамические мембраны привлекли значительное внимание при очистке сточных вод благодаря своей высокой химической и термической стабильности, противообрастающим свойствам и длительному сроку службы. Однако традиционные керамические мембраны страдают от высоких производственных затрат и температур спекания. Кроме того, традиционные продукты основаны исключительно на механизмах пассивного удаления, таких как физическое просеивание и поверхностная адсорбция, при этом отсутствует каталитическая деградация и внутренние антибактериальные функции. Это делает их склонными к загрязнению мембраны и снижению эффективности в сложных средах со сточными водами. В то же время трифенилметановые красители, такие как кристаллический фиолетовый, содержащиеся в промышленных сточных водах, химически стабильны, трудно поддаются биоразложению и канцерогенны, что представляет значительную угрозу экологии и здоровью человека. Патогенные микроорганизмы в водоемах легко вызывают биообрастание, еще больше ограничивая работу мембранных систем. Поэтому в центре внимания исследований стала разработка многофункциональных керамических мембран, сочетающих в себе низкую стоимость, высокую скорость удаления загрязняющих веществ и антибактериальные свойства.
II. Подготовка и характеристика материалов
В данном исследовании в качестве основного сырья используется зола-унос теплоэлектростанций и природный песок. Летучую золу предварительно обрабатывают посредством термической обработки и выщелачивания уксусной кислотой для удаления несгоревшего углерода и летучих компонентов, оптимизируя соотношение кремния-и-алюминия для удовлетворения требований формования керамики. Нанокомпозиты ZnO (Ag-ZnO), легированные Ag-, были синтезированы зеленым способом с использованием экстракта листьев аборигенного южноафриканского растения Searsia lancea в качестве восстановителя и стабилизатора. Двухслойная асимметричная керамическая мембрана, состоящая из функционально-активного слоя и опорного слоя, была изготовлена посредством мокрого со-прессования и совместного-спекания при 1000 градусах. Загрузки Ag-ZnO в активном слое составляли 0,25 г, 0,50 г и 0,75 г соответственно, соответствующие образцы были обозначены FCM@0.25, FCM@0.50 и FCM@0.75. Немодифицированный образец был помечен как PCM.
Анализы с помощью XRD, FTIR, SEM-EDS и TGA подтвердили, что Ag был успешно легирован в гексагональную структуру вюрцита ZnO с наночастицами, равномерно распределенными по поверхности мембраны. После модификации средний размер пор мембраны уменьшился с исходного большого размера до 0,03 мкм, пористость составила 31,4%, а поток чистой воды достиг 42,13 л/(м²·ч). Механическая прочность увеличивалась с 4,68 МПа до 6,88 МПа с увеличением загрузки Ag-ZnO, а потеря массы составляла менее 0,3% как в кислой (pH=2), так и в щелочной (pH=13) средах, демонстрируя превосходную химическую стабильность. Точка нулевого заряда (pHpzc) составляла 6,3, а поверхность имела отрицательный заряд в нейтральных и слабощелочных условиях, что полезно для адсорбции катионных красителей.
III. Результаты теста производительности
Эффективность удаления красителя: в условиях pH =8 и начальной концентрации кристаллического фиолетового 10 частей на миллион мембрана FCM@0.50 достигла степени удаления 95 % за первые 20 минут и 89 % за 100 минут, что значительно выше, чем у исходной мембраны (78 % и 46 %) соответственно. Механизм удаления следующий: в щелочных условиях отрицательный заряд на поверхности мембраны и катионный кристаллвиолет создают электростатическое притяжение. Одновременно наночастицы заполняют поры, уменьшая размер пор и увеличивая извилистость мембраны в сочетании с синергическим эффектом поверхностной адсорбции и исключения размера. Мембрану можно перерабатывать пять раз, сохраняя степень удаления 86% даже после пятого цикла. Регенерация может быть достигнута путем прокаливания при температуре 450 градусов. Однако поток уменьшается с увеличением нагрузки, что требует баланса между эффективностью удаления и потоком; FCM@0.50 — оптимальная выборка.
Антибактериальная эффективность: Антибактериальную активность оценивали с использованием стандартного метода ISO 22196 с использованием Salmonella typhi в качестве модельной бактерии. Результаты показали положительную корреляцию между антибактериальным эффектом и нагрузкой Ag-ZnO: степень бактериальной инактивации FCM@0.25, FCM@0.50 и FCM@0.75 достигла 75%, 89% и 92% соответственно благодаря синергетическому эффекту высвобождения Ag+ и фотокатализа ZnO, который разрушает мембраны бактериальных клеток и метаболические процессы, эффективно подавляя биообрастание мембран.
IV. Ценность и перспективы исследования
В результате этого исследования удалось добиться использования ресурсов твердых отходов, таких как летучая зола и природный песок. Процесс зеленого синтеза снизил экологические затраты на подготовку наноматериалов. Разработанная двухслойная мембрана преодолевает ограничения традиционных керамических мембран благодаря своей единственной функции, одновременно обеспечивая эффективное удаление красителей, а также антибактериальные и противообрастающие свойства, что соответствует целям устойчивого развития. Дальнейшие улучшения могут быть достигнуты за счет оптимизации толщины активного слоя, контроля распределения наночастиц и построения иерархической структуры пор для дальнейшего увеличения потока. Валидация с непрерывным потоком реальных сточных вод будет способствовать его промышленному применению.
Это исследование обеспечивает воспроизводимую техническую основу для разработки недорогих-многофункциональных керамических мембран с широкими перспективами применения в таких областях, как окраска и печать, очистка сточных вод, а также децентрализованная очистка питьевой воды.
