Upravené keramické membrány: Odstraňovanie farbív a antibakteriálne vlastnosti

Keramické membrány pritiahli značnú pozornosť pri čistení odpadových vôd vďaka svojej silnej chemickej/tepelnej stabilite, vlastnostiam proti znečisteniu a dlhej životnosti. Tradičné keramické membrány však trpia vysokými výrobnými nákladmi a teplotami spekania. Okrem toho sa konvenčné produkty spoliehajú výlučne na pasívne odstraňovacie mechanizmy, ako je fyzikálne preosievanie a povrchová adsorpcia, pričom im chýba katalytická degradácia a prirodzené antibakteriálne funkcie. To ich robí náchylnými na zanášanie membrán a degradáciu účinnosti v zložitých prostrediach odpadových vôd. Súčasne sú trifenylmetánové farbivá, ako je kryštálová violeť v priemyselných odpadových vodách, chemicky stabilné, ťažko biologicky rozložiteľné a karcinogénne, čo predstavuje významné ohrozenie ekológie a ľudského zdravia. Patogénne mikroorganizmy vo vodných útvaroch ľahko spôsobujú biologické znečistenie, čím ďalej obmedzujú fungovanie membránových systémov. Preto sa vývoj multifunkčných keramických membrán, ktoré kombinujú nízku cenu, vysokú mieru odstraňovania znečisťujúcich látok a antibakteriálne vlastnosti, stal predmetom výskumu.

Táto štúdia využíva ako hlavné suroviny popolček z tepelných elektrární a prírodný piesok. Popolček je predbežne upravený tepelným spracovaním a vylúhovaním kyselinou octovou, aby sa odstránil nespálený uhlík a prchavé zložky, čím sa optimalizuje pomer kremíka-k-hliníku, aby spĺňal požiadavky na tvarovanie keramiky. Ag-dopované ZnO (Ag{8}}ZnO) nanokompozity boli syntetizované zeleným spôsobom s použitím extraktu z listov pôvodnej juhoafrickej rastliny Searsia lancea ako redukčného činidla a stabilizátora. Dvojvrstvová asymetrická keramická membrána pozostávajúca z funkčnej aktívnej vrstvy a nosnej vrstvy sa pripravila súčasným lisovaním za mokra a ko{11}}spekaním pri 1 000 stupňoch. Obsah Ag-ZnO v aktívnej vrstve bol 0,25 g, 0,50 g a 0,75 g, v tomto poradí, a zodpovedajúce vzorky boli označené FCM@0.25, FCM@0.50 a FCM@0.75. Neupravená vzorka bola označená PCM.

Charakterizácia pomocou XRD, FTIR, SEM{0}}EDS a TGA potvrdila, že Ag bol úspešne dopovaný do hexagonálnej wurtzitovej štruktúry ZnO s nanočasticami rovnomerne distribuovanými na povrchu membrány. Po modifikácii sa priemerná veľkosť pórov membrány znížila z pôvodnej veľkej veľkosti na 0,03 μm, pórovitosť bola 31,4 % a prietok čistej vody dosiahol 42,13 l/(m²·h). Mechanická pevnosť sa zvýšila zo 4,68 MPa na 6,88 MPa so zvyšujúcim sa zaťažením Ag-ZnO a strata hmotnosti bola menšia ako 0,3 % v kyslom (pH=2) aj alkalickom (pH=13) prostredí, čo preukázalo vynikajúcu chemickú stabilitu. Bod nulového náboja (pHpzc) bol 6,3 a povrch niesol záporný náboj za neutrálnych až mierne alkalických podmienok, čo je prospešné pre adsorpciu katiónových farbív.

Účinnosť odstraňovania farbiva: Pri podmienkach pH=8 a počiatočnej koncentrácii kryštálovej violeti 10 ppm dosiahla membrána FCM@0.50 rýchlosť odstraňovania 95 % za prvých 20 minút a 89 % za 100 minút, čo je výrazne viac ako pri pôvodnej membráne 78 % a 46 %. Mechanizmus odstraňovania je nasledujúci: V alkalických podmienkach záporný náboj na povrchu membrány a katiónová kryštálová fialová vytvárajú elektrostatickú príťažlivosť. Súčasne nanočastice vyplnia póry, čím sa zníži veľkosť pórov a zvýši sa tortuozita membrány v kombinácii so synergickým účinkom povrchovej adsorpcie a vylúčenia veľkosti. Membránu je možné recyklovať päťkrát, pričom sa zachováva 86% miera odstraňovania aj po piatom cykle. Regeneráciu možno dosiahnuť kalcináciou pri 450 stupňoch. Avšak tok klesá so zvyšujúcim sa zaťažením, čo si vyžaduje rovnováhu medzi účinnosťou odstraňovania a tokom; FCM@0.50 je optimálna vzorka.

Antibakteriálna účinnosť: Antibakteriálna aktivita sa hodnotila pomocou štandardnej metódy ISO 22196, pričom modelovou baktériou bola Salmonella typhi. Výsledky ukázali pozitívnu koreláciu medzi antibakteriálnym účinkom a zaťažením Ag{5}}ZnO: miera bakteriálnej inaktivácie FCM@0.25, FCM@0.50 a FCM@0.75 dosiahla 75 %, 89 % a 92 %, v uvedenom poradí, vďaka synergickému účinku uvoľňovania Ag+ a fotokatalýzy ZnO, ktorá narúša bioflóru a metabolické procesy na membráne účinne inhibuje membránu baktérií.

Tento výskum dosiahol využitie zdrojov pevných odpadov, ako je popolček a prírodný piesok. Proces zelenej syntézy znížil environmentálne náklady na prípravu nanomateriálov. Vyvinutá dvojvrstvová membrána prekonáva obmedzenia tradičných keramických membrán s ich jedinou funkciou, pričom súčasne dosahuje účinné odstraňovanie farbív a antibakteriálne a antivegetatívne vlastnosti, čo je v súlade s cieľmi trvalo udržateľného rozvoja. Ďalšie zlepšenia možno dosiahnuť optimalizáciou hrúbky aktívnej vrstvy, riadením distribúcie nanočastíc a vytvorením hierarchickej štruktúry pórov na ďalšie zvýšenie toku. Validácia s nepretržitým tokom skutočnej odpadovej vody podporí jej priemyselné využitie.

Tento výskum poskytuje replikovateľný technický rámec pre návrh nízkonákladových{0}}multifunkčných keramických membrán so širokými perspektívami použitia v oblastiach, ako je farbenie a tlač, čistenie odpadových vôd a decentralizované čistenie pitnej vody.