Бубела Г.С. Функціоналізація полівініліденфлуоридних мембран. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю «102 – Хімія» (галузь знань – «10 – Природничі науки»). Національний університет «Києво-Могилянська академія», Міністерство освіти і науки України, Київ, 2023.
Дисертаційна робота присвячена розробленню методів модифікування поверхні полівініліденфлуоридних (ПВДФ) мембран з метою надання їм бажаних характеристик, а саме: посиленої стійкості до забруднення і фотокаталічних властивостей; а також дослідженню їх поверхневих, морфологічних і транспортних параметрів. Окрім того, досліджено можливості застосування модифікованих ПВДФ мембран для процесів видалення надлишкового заліза (Fe2+) з води, фракціонування білків і розкладання барвників (на прикладі родаміну Б і родаміну Ж).
Для надання комерційним ПВДФ мембранам магніто-активних властивостей запропоновано простий метод модифікування із використанням дешевих і неагресивних реагентів: наночастинок магнетиту (Fe3O4), а також поліетиленіміну, як полімерного лінкеру між поверхнею мембрани і Fe3O4. Завдяки здатності наночастинок Fe3O4 до руху за наявності зовнішнього магнітного поля та додаткової турбулізації у примембранному дифузійному шарі, модифіковані полівініліденфлуоридні мембрани характеризувались кращими транспортними характеристиками (45 л·м−2·год−1·бар−1 для комерційної ПВДФ мембрани і 72 л·м−2·год−1·бар−1 для модифікованої ПВДФ мембрани) і посиленою стійкістю до забруднення. До того ж магнітоактивні комерційні ПВДФ мембрани було успішно застосовано до процесу розділення і фракціонування білків (коефіцієнт затримування лізоциму 5,3 % при рН 12,0).
Додатково, розроблений метод було застосовано для модифікування поверхні формованих ПВДФ мембран з об’ємним модифікуванням (до полімерної матриці мембрани було додано Fe3O4). Структуру та морфологію досліджуваних мембран було охарактеризовано із використанням різноманітних методів (ІЧ спектроскопії, сканувальної електронної мікроскопії, енергодиспергійної рентгенівської спектроскопії, атомної силової спектроскопії тощо), що підтвердило, що наночастинки магнетиту були успішно інтегровані в матрицю мембрани і на її поверхню. Встановлено, що модифікування поверхні привело до гідрофілізації поверхні мембрани (контактний кут змочування для ПВДФ мембрани 106,1º ± 3, тоді як для модифікованої ПВДФ мембрани 74,8º ± 2). Досліджувані ПВДФ мембрани було застосовано для очищення води від надлишку феруму (Fe2+) у процесі ультрафільтрації із використанням поліакрилової кислоти, як сполуки здатної до зв’язування Fe2+ у поліелектролітний комплекс. Використання модифікованих ПВДФ мембран дозволяє видалити (Fe2+) до концентрації 0,08 мг·л-1, що відповідає стандартам Всесвітньої організації охорони здоров’я (0,3 мг·л-1) і Регламенту Європейського Союзу (0,2 мг·л-1).
Полівініліденфлуоридні мембрани із фотокаталітичними властивостями було одержано завдяки модифікуванню поверхні із використанням графітового нітриду вуглецю (g-C3N4), а також його похідних, легованих залізом. Фотокаталізатори було отримано методом термічного піролізу меламіну, а у випадку каталізаторів легованих залізом: термічного піролізу меламіну із відповідною сіллю (ферум (ІІІ) хлорид гексагідрат). Для підтвердження синтезу g-C3N4 і його похідних було використано трансмісійну електронну спектроскопію, ІЧ спектроскопію, рентгеноструктурний аналіз тощо. Подальше модифікування поверхні комерційної ПВДФ мембрани із відсікальною здатністю 150 кДа здійснювали після активування поверхні мембрани карбонатним буфером, унаслідок його відбувалось дегідрогалогенування і утворення подвійних зв’язків на поверхні мембрани. Окрім того, для ефективної адсорбції фотокаталізаторів на поверхні було застосовано метод фізичного модифікування поверхні полівініліденфлуоридної мембрани полідопаміном.
Досліджено адсорбцію родаміну Б та родаміну Ж на модифікованих мембранах та їх подальше розкладання на поверхні фотокаталітичної ПВДФ мембрани під опроміненням видимим світлом. Коефіцієнти затримування родаміну Б і родаміну Ж становили 96 і 94% відповідно. Розкладання барвників становило близько 80% і 85% для родаміну Б і родаміну Ж відповідно для концентрації барвників від 5 до 50 мг·л-1. Мембрани ПВДФ-g-C3N4 характеризуються високою стабільністю та придатністю до повторного використання в процесі ультрафільтрації барвників у проточному режимі. Втрата мембранної активності після 5 циклів ультрафільтрації (загальна тривалість 10 год) становила приблизно 15%.
Ключові слова: мембрани, модифікування поверхні полімерних мембран, полівінілідефлуоридні мембрани, наночастинки магнетиту, магнітоактивні мембрани, графітовий нітрид вуглецю, фотокаталіз, ультрафільтрація, концентраційна поляризація, фракціонування білків, очищення води від барвників, посилена ультрафільтрація, очищення води, очищення водних розчинів.
