Мікрофільтраційні мембрани, модифіковані гідратованим діоксидом цирконію, який містить вуглецеві наноточки

Abstract

Мета дослідження – встановлення впливу модифікаторів − гідратованого діоксиду цирконію та його композиту із вуглецевими наноточками − на розділову здатність полімерних мембран (перенос іонів та закономірності фільтрування води і розчинів білків) для подальшого використання мембран із найкращими властивостями у процесах концентрування білкових компонентів із рідин біогенного походження. Методи дослідження – сканувальна електронна мікроскопія (дослідження морфології мембран), гравіметричний (визначення вмісту ZrO2 у полімері), кондуктометрія (вміст солі у водних розчинах), потенціометрія (вимірювання мембранного потенціалу), спектрофотометричний (концентрація білку у пермеаті). Мікрофільтраційні мембрани (полівініліденфторидну та поліамідну) модифіковано гідратованим діоксидом цирконію, а також його композитом із вуглецевими наноточками, розмір яких становить 8-12 нм. Тестування мембран при фільтруванні води показало, що найменший гідродинамічний опір, який становить (0.48-3.77)×1012 м-1 виявляють полівініліденфторидні мембрани − як вихідна, так і модифіковані. При фільтруванні розчину бичачого сироваткового альбуміну показало, що найбільшою стійкістю до органічних забруднювачів та найвищою розділовою здатністю характеризується мембрана, модифікована композитом: при цьому затримується 100% білку. Цю мембрану використано для одержання білкового концентрату молочної сироватки. При цьому утворення осаду відбувається на її зовнішній поверхні. Для ідентифікації вуглецевих наноточок в інкорпорованому композиті запропоновано непрямий метод, який передбачає вимірювання мембранного потенціалу та вивчення дифузії солі (1,1-зарялного електроліту). Розраховано коефіцієнти дифузії іонів. У випадку полівініліденфторидних матеріалів, що містять одно- та двокомпонентний модифікатори, ці значення становлять відповідно 7×10-12 та 6×10-13 м2с-1 для іонів Na+. Отже, вуглецева складова зменшує коефіцієнти дифузії на порядок. Введення до пор мікрофільтраційних мембран двокомпонентного модифікатору, що містить вуглецеві наноточки, дозволяє покращити затримуючу здатність мембран та підвищити їх стійкість до органічних забруднювачів. Мембрани можуть бути використані для переробки рідин біогенного походження.

Establishing the influence of modifiers (hydrated zirconium dioxide and its composite with carbon nanodots) on the rejecting ability of polymer membranes (ion transport and features of filtration of water and protein solutions) for the further use of membranes with the best properties in the processes of concentrating protein components from liquids of biogenic origin. Methods – scanning electron microscopy (study of the membrane morphology), gravimetric (determination of the ZrO2 content in the polymer), conductometry (salt content in aqueous solutions), potentiometry (the measurements of membrane potential), spectrophotometry (protein concentration in the permeate). Microfiltration membranes (polyvinylidenefluoride and polyamide) were modified with hydrated zirconium dioxide, as well as its composite with carbon nanodots, the size of which is 8-12 nm. Testing during water filtration showed that polyvinylidenefluoride membranes (both original and modified ones) demonstrate×the lowest hydrodynamic resistance, which is (0.48-3.77)×1012m-1. When filtering a solution of bovine serum albumin occurred, it was shown that the membrane modified with a composite is characterized by the highest resistance against organic pollutants and the highest rejecting ability: 100% of the protein is retained. This membrane was used to obtain the protein concentrate of milky whey. At the same time, sediment is formed on its outer surface. To identify carbon nanodots in the incorporated composite, an indirect method has been proposed. It involves measuring the membrane potential and studying the diffusion of salt (1,1 electrolyte). The diffusion coefficients of ions were calculated. In the case of polyvinylidenefluoride materials containing one- or two component modifiers, these values are 7×10-12 and 6×10-13 м2с-1 respectively for Na+ ions. Thus, the carbon constituent decreases the diffusion coefficients by an order of magnitude. The insertion of a two-component modifier containing carbon nanodots into the pores of microfiltration membranes allows one to improve the retention capacity of the membranes and increase their resistance against organic pollutants. Membranes can be used for processing liquids of biogenic origin.