Мембраны на основе целлофана для очистки водных сред от загрязнений различной природы

В работе исследован процесс нанофильтрационной очистки воды от органических загрязнителей различной природы. В качестве мембраны в работе использована целлофановая пленка – материал на основе дешевого природного сырья. В качестве модельных веществ, от которых очищали воду, рассмотрены красители сафранин О, оранжевый II и ремазол бриллиантовый синий Р, характеризующиеся различной молекулярной массой, химическим составом и зарядом, а также антибиотик цефтриаксон. Показано, что проницаемость целлофана по воде составляет 0.145 ± 0.017 кг/(м2∙ч∙атм). При этом мембраны из целлофана хорошо задерживают из водных сред растворенные органические вещества анионного типа, содержащие кислотные группы. При выделении из воды анионных красителей оранжевый II и ремазол бриллиантовый синий Р коэффициенты задержания составили 97 ± 2 и 99 ± 1% соответственно. В случае катионного красителя сафранин О наблюдали отрицательные значения коэффициентов задержания на уровне –7 ± 3%. В то же время, для антибиотика цефтриаксона коэффициент задержания составил всего 41 ± 5%, что обусловлено его высоким сродством к целлофану и стерическими ограничениями.

1. Dhote J., Ingole S., Chavhan A. Review on wastewater treatment technologies // Int. J. Eng. Res. Technol. 2012. V. 1, No 5. P. 1–10.

2. Ezugbe E.O., Rathilal S. Membrane technologies in wastewater treatment: A review // Membranes. 2020. V. 10, No 5. Art. 89. https://doi.org/10.3390/membranes10050089.

3. Rathi B.S., Kumar P.S., Vo D.-V.N. Critical review on hazardous pollutants in water environment: Occurrence, monitoring, fate, removal technologies and risk assessment // Sci. Total Environ. 2021. V. 797. Art. 149134. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149134.

4. Viktoryová N., Szarka A., Hrouzková S. Recent developments and emerging trends in paint industry wastewater treatment methods // Appl. Sci. 2022. V. 12, No 20. Art. 10678. https://doi.org/10.3390/app122010678.

5. Gül Ü.D. A green approach for the treatment of dye and surfactant contaminated industrial wastewater // Braz. J. Biol. 2019. V. 80, No 3. P. 615–620. https://doi.org/10.1590/1519-6984.218064.

6. Rodríguez Couto S. Dye removal by immobilized fungi // Biotechnol. Adv. 2009. V. 27, No 3. P. 227–235. https://dx.doi.org/10.1016/j.biotechadv.2008.12.001.

7. Nair K S., Manu B., Azhoni A. Sustainable treatment of paint industry wastewater: Current techniques and challenges // J. Environ. Manage. 2021, V. 296. Art. 113105. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113105.

8. Aniyikaiye T.E., Oluseyi T., Odiyo J.O., Edokpayi J.N. Physico-chemical analysis of wastewater discharge from selected paint industries in Lagos, Nigeria // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2019. V 16, No 7. Art. 1235. https://doi.org/10.3390/ijerph16071235.

9. Martínez J.L. Antibiotics and antibiotic resistance genes in natural environments // Science. 2008. V. 321, No 5887. P. 365–367. https://doi.org/10.1126/science.1159483.

10. Anh H.Q., Le T.P.Q., Da Le N., Lu X.X., Duong T.T., Garnier J., Rochelle-Newall E., Zhang S., Oh N.-H., Oeurng C., Ekkawatpanit C., Nguyen T.D., Nguyen Q.T., Nguyen T.D., Nguyen T.N., Tran T.L., Kunisue T., Tanoue R., Takahashi S., Minh T.B., Le H.T.,Pham T.N.M., Nguyen T.A.H. Antibiotics in surface water of East and Southeast Asian countries: A focused review on contamination status, pollution sources, potential risks, and future perspectives // Sci. Total Environ. 2021. V. 764. Art. 142865. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142865.

11. Liu X., Lu S., Guo W., Xi B., Wang W. Antibiotics in the aquatic environments: A review of lakes, China // Sci. Total Environ. 2018. V. 627. P. 1195–1208. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.01.271.

12. Sta Ana K.M., Madriaga J., Espino M.P. β-Lactam antibiotics and antibiotic resistance in Asian lakes and rivers: An overview of contamination, sources and detection methods // Environ. Pollut. 2021. V. 275. Art. 116624. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.116624.

13. Косенко И.М. Резистентность бактерий к антибиотикам – старая проблема. Есть ли решения? // Лечение и профилактика. 2019. Т. 9, № 4. С. 56–62.

14. Sulbarán Rangel B.C., Madrigal Olveira A.E., Romero Arellano V.H., Guzmán González C.A. Nanomateriales celulósicos para la adsorción de contaminantes emergentes // Tecnura. 2019. V. 23, No 62. P. 13–20. https://doi.org/10.14483/22487638.15451.

15. Meneau-Hernández R.I., Millán-Arrieta J.A., Borrego-Morales K., Alba-Carranza M.D., Farías-Piñeira T. Adsorción de ciprofloxacina en materiales zeolíticos // Rev. Cubana Quim. 2021. V. 33, No 1. P. 167–190.

16. Афонина А.П., Бурыкина О.В. Изучение кинетики сорбции промышленного красителя катионного розового 2С глинистым материалом // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66, Вып. 9. С. 123–128. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236609.6775.

17. Казначеева А.А., Ставропольцева А.С., Меньшова И.И. Сорбенты на основе нетканых материалов в очистке промышленных стоков // Успехи в химии и химической технологии. 2023. Т. 37, Вып. 4 (266). С. 123–125.

18. Gothwal R., Shashidhar T. Antibiotic pollution in the environment: A review // Clean: Soil, Air, Water. 2015. V. 43, No 4. P. 479–489. https://doi.org/10.1002/clen.201300989.

19. Di J., Xia J., Ge Y., Li H., Ji H., Xu H., Zhang Q., Li H., Li M. Novel visible-light-driven CQDs/Bi2WO6 hybrid materials with enhanced photocatalytic activity toward organic pollutants degradation and mechanism insight // Appl. Catal., B: Environ. 2015. V. 168–169. P. 51–61. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.11.057.

20. Царенко А.Д., Яценко А.Н., Ульянкина А.А. Оптимизация технологических параметров фотодеградации красителя метиленового синего в присутствии наноразмерного оксида цинка // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2022. № 4. С. 90–95. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-4-90-95.

21. Huang B., Wang H.-C., Cui D., Zhang B., Chen Z.-B., Wang A.-J. Treatment of pharmaceutical wastewater containing β-lactams antibiotics by a pilot-scale anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) // Chem. Eng. J. 2018. V. 341. P. 238–247. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.01.149.

22. Prado N., Ochoa J., Amrane A. Biodegradation by activated sludge and toxicity of tetracycline into a semi-industrial membrane bioreactor // Bioresour. Technol. 2009. V. 100, No 15. P. 3769–3774. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.11.039.

23. Li B., Zhang T. Biodegradation and adsorption of antibiotics in the activated sludge process // Environ. Sci. Technol. 2010. V. 44, No 9. P. 3468–3473. https://doi.org/10.1021/es903490h.

24. Joss A., Keller E., Alder A.C., Göbel A., McArdell, C.S., Ternes T., Siegrist H. Removal of pharmaceuticals and fragrances in biological wastewater treatment // Water Res. 2005. V. 39, No 14. P. 3139–3152. https://doi.org/10.1016/j.watres.2005.05.031.

25. Yang S.-F., Lin C.-F., Lin A.-Y.C., Hong P.-K.A. Sorption and biodegradation of sulfonamide antibiotics by activated sludge: Experimental assessment using batch data obtained under aerobic conditions // Water Res. 2011. V. 45, No 11. P. 3389–3397. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.03.052.

26. Джубари М.Л., Алексеева Н.В., Базияни Г.И., Таха В.С. Методы удаления пигментов из сточных вод // Известия ТПУ. Инжиниринг георесурсов. 2021, Т. 332, № 7. С. 54–64. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/7/3263.

27. Suarez S., Lema J.M., Omil F. Pre-treatment of hospital wastewater by coagulation–flocculation and flotation // Bioresour. Technol. 2009. V. 100, No 7. P. 2138–2146. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.11.015.

28. Choi K.-J., Kim S.-G., Kim S.-H. Removal of antibiotics by coagulation and granular activated carbon filtration // J. Hazard. Mater. 2008. V. 151, No 1. P. 38–43. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.05.059.

29. Ульрих Е.В., Баркова А.С. Использование флокулянтов для очистки сточных вод // Трансформация экосистем. 2023. Т. 6, № 1. С. 168–187.

30. Naddeo V., Meriç S., Kassinos D., Belgiorno V., Guida M. Fate of pharmaceuticals in contaminated urban wastewater effluent under ultrasonic irradiation // Water Res. 2009. V. 43, No 16. P. 4019–4027. https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.05.027.

31. Lu X., Qiu W., Peng J., Xu H., Wang D., Cao Y., Zhang W., Ma J. A review on additivesassisted ultrasound for organic pollutants degradation // J. Hazard. Mater. 2021. V. 403. Art. 123915. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123915.

32. Srivastava V. Grand challenges in chemical treatment of hazardous pollutants // Front. Environ. Chem. 2021. V. 2. Art. 792814. https://doi.org/10.3389/fenvc.2021.792814.

33. Алоян Р.М., Федосеев В.Н., Виноградова Н.В., Зайцева И.А. Возможности и проблемы энергоэффективных и энергосберегающих технологий в строительстве и текстильной промышленности // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2017. № 5 (371). С. 196–198.

34. Осадчий Ю.П., Блиничев В.Н. Баромембранная очистка сточных вод, содержащих пигменты и кислотные красители // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2007. № 5 (301). С. 64–66.

35. Апель П.Ю., Бобрешова О.В., Волков А.В., Волков В.В., Никоненко В.В., Стенина И.А., Филиппов А.Н., Ямпольский Ю.П., Ярославцев А.Б. Перспективы развития мембранной науки // Мембраны и мембранные технологии. 2019. Т. 9, № 2. С. 59–80. https://doi.org/10.1134/S2218117219020020.

36. Feng X., Peng D., Zhu J., Wang Y., Zhang Y. Recent advances of loose nanofiltration membranes for dye/salt separation // Sep. Purif. Technol. 2022. V. 285. Art. 120228. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120228.

37. Chauhan P., Sharma M., Nehra S., Sharma R., Kumar D. Dye removal from industrial water using nanofiltration membrane // Ahmad A., Alshammari M.B. (Eds.) Nanofiltration Membrane for Water Purification. Ser.: Sustainable Materials and Technology. Singapore: Springer, 2023. P. 83–117. https://doi.org/10.1007/978-981-19-5315-6_6.

38. Yang L., Xia C., Jiang J., Chen X., Zhou Y., Yuan C., Bai L., Meng S., Cao G. Removal of antibiotics and estrogens by nanofiltration and reverse osmosis membranes // J. Hazard. Mater. 2024. V. 461. Art. 132628. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132628.

39. Zheng F., Wang Y. Removal of antibiotics and antibiotic resistance genes by self-assembled nanofiltration membranes with tailored selectivity // J. Membr. Sci. 2022. V. 659. Art. 120836. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.120836.

40. Guo X., Zhao B., Wang L., Zhang Z., Li J., Gao Z. High flux nanofiltration membrane via surface modification using spirocyclic quaternary ammonium diamine for efficient antibiotics/salt separation // Sep. Purif. Technol. 2023. V. 325. Art. 124736. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124736.

41. Cheng X.Q., Liu Y., Guo Z., Shao L. Nanofiltration membrane achieving dual resistance to fouling and chlorine for “green” separation of antibiotics // J. Membr. Sci. 2015. V. 493. P. 156–166. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.06.048.

42. Zhao S., Yao Y., Ba C., Zheng W., Economy J., Wang P. Enhancing the performance of polyethylenimine modified nanofiltration membrane by coating a layer of sulfonated poly(ether ether ketone) for removing sulfamerazine // J. Membr. Sci. 2015. V. 492. P. 620–629. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.03.017.

43. Thakur V.K., Voicu S.I. Recent advances in cellulose and chitosan-based membranes for water purification: A concise review // Carbohydr. Polym. 2016. V 146. P. 148–165. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.03.030.

44. Fan J., Zhang S., Li F., Yang Y., Du M. Recent advances in cellulose-based membranes for their sensing applications // Cellulose. 2020. V. 27, No 16. P. 9157–9179. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03445-7.

45. Rana A.K., Gupta V.K., Saini A.K., Voicu S.I., Abdellattifaand M.H., Thakur V.K. Water desalination using nanocelluloses/cellulose derivatives-based membranes for sustainable future // Desalination. 2021. V. 520. Art. 115359. https://doi.org/10.1016/j.desal.2021.115359.

46. Тепляков В.В., Шалыгин М.Г., Козлова А.А., Чистяков А.В., Цодиков М.В., Нетрусов А.И. Мембранные технологии в биопереработке лигноцеллюлозы в компоненты моторных топлив // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7, № 4. С. 228–246. https://doi.org/10.1134/S2218117217040083.

47. Medronho B., Lindman B. Competing forces during cellulose dissolution: From solvents to mechanisms // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2014. V. 19, No 1. P. 32–40. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2013.12.001.

48. Medronho B., Lindman B. Brief overview on cellulose dissolution/regeneration interactions and mechanisms // Adv. Colloid Interface Sci. 2015. V. 222. P. 502–508. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.05.004.

49. Acharya S., Liyanage S., Parajuli P., Rumi S.S., Shamshina J.L., Abidi N. Utilization of cellulose to its full potential: A review on cellulose dissolution, regeneration, and applications // Polymers. 2021. V. 13, No 24. Art. 4344. https://doi.org/10.3390/polym13244344.

50. Loftsson T., Masson M., Sigurdsson H.H. Cyclodextrins and drug permeability through semi-permeable cellophane membranes // Int. J. Pharm. 2002. V. 232, No 1–2. P. 35–43. https://doi.org/10.1016/S0378-5173(01)00895-X.

51. Tomé L.C., Gonçalves C.M.B., Boaventura M., Brandão L., Mendes A.M., Silvestre A.J.D., Neto C.P., Gandini A., Freire C.S.R., Marrucho I.M. Preparation and evaluation of the barrier properties of cellophane membranes modified with fatty acids // Carbohydr. Polym. 2011. V. 83, No 2. P. 836–842. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2010.08.060.

52. Craddock P.R., Fehr J., Dalmasso A.P., Brighan K.L., Jacob H.S. Hemodialysis leukopenia. Pulmonary vascular leukostasis resulting from complement activation by dialyzer cellophane membranes // J. Clin. Invest. 1977. V. 59, No 5. P. 879–888. https://doi.org/10.1172/JCI108710.

53. Wu J., Yuan Q. Gas permeability of a novel cellulose membrane // J. Membr. Sci. 2002. V. 204, No 1–2. P. 185–194. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(02)00037-6.

54. Кокоулина Е.В., Лихтенталер Р.Н. Сорбционные свойства органических растворителей в непористых полимерных мембранах // Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2007. № 2. С. 114–120.

55. Кузнецов В.М., Тойкка A.M., Кузнецов Ю.П. Зависимость селективности первапорации от давления и сорбционные свойства пленочной полимерной мембраны // Журн. прикл. хим. 2007. Т. 80, № 6. С. 928–931.

56. Кузнецов В.М., Кокоулина Е.В., Тойкка А.М. Влияние давления пермеата на селективность первапорационного разделения водно-этанольных смесей с использованием пленочной целлофановой мембраны // Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2005. № 3. С. 68–71.

57. Кузнецов В.М., Тойкка А.М., Кокоулина Е.В. Фазовые переходы в процессе испарения через непористую полимерную мембрану // Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2004. № 3. С. 52–59.

58. Левенкова И.О. Мембраны в практике программного диализа // Медицинская сестра. 2008. № 2. С. 11–12.

59. Рыбакова А.И., Саутина Н.В., Головешкина Д.Ю., Галяметдинов Ю.Г. Кинетика массопереноса аминокислот различной структуры в обратных микроэмульсиях // Вестник Технологического университета. 2020. Т. 23, № 4. С. 38–43.

60. Eliseeva T., Kharina A. Desalination of neutral amino acid solutions in an electromembrane system // Membranes. 2022. V. 12, No 7. Art. 665. https://doi.org/10.3390/membranes12070665.

61. Liu J., Xu Q., Jiang J. A molecular simulation protocol for swelling and organic solvent nanofiltration of polymer membranes // J. Membr. Sci. 2019. V. 573. P. 639–646. https:/doi.org/10.1016/j.memsci.2018.12.035.

62. Soltane H.B., Roizard D., Favre E. Effect of pressure on the swelling and fluxes of dense PDMS membranes in nanofiltration: An experimental study // J. Membr. Sci. 2013. V. 435. P. 110–119. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.01.053.

63. Volkov A., Yushkin A., Grekhov A., Shutova A., Bazhenov S., Tsarkov S., Khotimsky V., Vlugt T.J.H., Volkov V. Liquid permeation through PTMSP: One polymer for two different membrane applications // J. Membr. Sci. 2013. V. 440. P. 98–107. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.03.067.

64. Volkov A., Yushkin A., Kachula Y., Khotimsky V., Volkov V. Application of negative retention in organic solvent nanofiltration for solutes fractionation // Sep. Purif. Technol. 2014. V. 124. P. 43–48. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.12.044.

65. Gevers L.E., Meyen G., de Smet K., van de Velde P., Du Prez F., Vankelecom I.F., Jacobs P.A. Physico-chemical interpretation of the SRNF transport mechanism for solutes through dense silicone membranes // J. Membr. Sci. 2006. V. 274, No 1–2. P. 173–182. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2005.08.009.

66. Tsarkov S., Khotimskiy V., Budd P.M., Volkov V., Kukushkina J., Volkov A. Solvent nanofiltration through high permeability glassy polymers: effect of polymer and solute nature // J. Membr. Sci. 2012. V. 423–424. P. 65–72. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2012.07.026.

67. Schlackl K., Bischof R.H., Samhaber W. Negative retention by the nanofiltration of aqueous biomass hydrolysates derived from wood pulping // Sep. Purif. Technol. 2020. V. 242. Art. 116773. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116773.

68. Hansen C.M. Hansen Solubility Parameters: A User’s Handbook. 2 ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2007. 544 p. https://doi.org/10.1201/9781420006834.

69. Владипор. Мембраны из Полиамида марки ОПМН-П. URL: https://vladipor.ru/katalog/laboratornaja-filtracija/membrany-iz-poliamida-marki-opmn-p/

70. Мирончук В.Г., Грушевская И.О., Кучерук Д.Д., Змиевский Ю.Г. Экспериментальное исследование влияния высокого давления на эффективность процесса нанофильтрации молочной сыворотки при использовании мембран ОПМН-П // Мембраны и мембранные технологии. 2013. Т. 3, № 1. С. 3–6. https://doi.org/10.1134/S2218117212040062.

71. Jegal J., Lee K.-H. Nanofiltration membranes based on poly (vinyl alcohol) and ionic polymers // J. Appl. Polym. Sci. 1999. V. 72, No 13. P. 1755–1762. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4628(19990624)72:13<1755::AID-APP11>3.0.CO;2-R.

72. Anokhina T., Dmitrieva E., Volkov A. Recovery of model pharmaceutical compounds from water and organic solutions with alginate-based composite membranes // Membranes. 2022. V. 12, No 2. Art. 235. https://doi.org/10.3390/membranes12020235.

73. Кононова С.В., Хрипунов А.К. Мембрана для нанофильтрации в водных, спиртовых и водно-спиртовых средах. Патент РФ на изобретение № 2650670. 2018. Бюл. ФИПС № 11.

74. Фазуллин Д.Д., Маврин Г.В. Селективность и задерживающая способность композиционных мембран при нанофильтрации сильно загрязненных сточных вод // Сорбционные и хроматографические процессы. 2022. Т. 22, № 1. С. 69–78. https:/doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/9026.

75. Сапегин Д.А., Кононова С.В., Хрипунов А.К., Потокин И.Л. Нанофильтрационная мембрана целлокон. Селективно-транспортные свойства // Междисциплинарный молодежный научный форум «Новые материалы. Дни науки. Санкт-Петербург 2015» (Санкт-Петербург, 20–22 октября 2015 г.). СПб.: Буки Веди, 2015. С. 112–114.