Самоочищающиеся нанокомпозитные мембраны на основе сульфированного тетрафторэтилена и g-C3N4 для очистки воды
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-4-510-520
Аннотация
Загрязнение воды промышленными сточными водами представляет серьезную экологическую проблему, особенно из-за присутствия опасных органических красителей. В данном исследовании представлена разработка самоочищающихся нанокомпозитных мембран на основе сульфированного тетрафторэтилена и нанолистов двухмерного графитоподобного нитрида углерода (g-C3N4) для эффективной очистки воды. Мембраны были синтезированы методом литья с использованием 1 мас.% и 5 мас.% g-C3N4 в качестве фотокаталитического наполнителя. Была проведена комплексная физико-химическая характеристика с использованием РФА, ИК-Фурье спектроскопии, СЭМ, СДО и адсорбционных испытаний. Эффективность фотокаталитического процесса оценивали в процессе разложения метиленового синего под действием видимого света. Результаты показывают, что мембраны с содержанием 5 мас.% g-C3N4 обладают повышенной эффективностью адсорбции (k = 0.0800 мин–1) и заметной фотокаталитической активностью (k = 0.0071 мин–1), что приводит к эффективному удалению красителя и самоочищению. Эти результаты подчеркивают потенциал гибридных мембран из полимерных наноматериалов для устойчивой очистки сточных вод. Предлагаемые мембраны являются многообещающим решением для удаления опасных органических загрязнителей при сохранении долгосрочной эксплуатационной стабильности.
Об авторах
М. И. ЧебаненкоРоссия
Л. А. Лебедев
Россия
М. И. Теневич
Россия
К. Д. Мартинсон
Россия
О. Н. Примаченко
Россия
С. В. Кононова
Россия
В. И. Попков
Россия
Список литературы
1. Wan Nafi A., Taseidifar M. Removal of hazardous ions from aqueous solutions: Current methods, with a focus on green ion flotation. J. Environ. Manage., 2022, 319, 115666.
2. Khadhraoui M., Trabelsi H., Ksibi M., Bouguerra S., Elleuch B. Discoloration and detoxicification of a Congo Red dye solution by means of ozone treatment for a possible water reuse. J. Hazard. Mater., 2008, 161, P. 974–981.
3. Milena R. Sorption of dyes from aqueous solutions onto fly ash. Water Res., 2018, 37, P. 4938–4944
4. Karthikeyan J. Adsorptive removal of direct azo dye from aqueous phase onto coal-based sorbents: A kinetic and mechanistic study. J. Hazard. Mater., 2002, 3894, P. 189–204.
5. Bracamontes-Ruelas A.R., Ordaz-D´ıaz L.A., Bailon-Salas A.M., R ´ ´ıos-Saucedo J.C., Reyes-Vidal Y., Reynoso-Cuevas L. Emerging pollutants in wastewater, advanced oxidation processes as an alternative treatment and perspectives. Processes, 2022, 10, P. 1–23.
6. Sun Y., Zhou S., Chiang P.-C., Shah K.J. Evaluation and optimization of enhanced coagulation process: Water and energy nexus. Water-Energy Nexus, 2019, 2, P. 25–36.
7. Zahrim A.Y., Tizaoui C., Hilal N. Coagulation with polymers for nanofiltration pre-treatment of highly concentrated dyes: A review. Desalination, 2011, 266, P. 1–16.
8. Romanovski V., Pilipenko M., Dubina A., Likhavitski V., Volodko S., Moskovskikh D., Romanovskaia E. Optimizing dye wastewater purification: ultrasonic and flotation with ozonation synergy. Eng. Rep., 2024, 6, e13044.
9. Kokk ¨ ılıc¸ O., Mohammadi-Jam S., Chu P., Marion C., Yang Y., Waters K.E. Separation of plastic wastes using froth flotation – An overview. Adv. Colloid Interface Sci., 2022, 308, 102769.
10. Lin Q., Ding X.-L., Hou Y.-S., Ali W., Li Z.-C., Han X., Meng Z., Sun Y., Liu Y. Adsorption and separation technologies based on supramolecular macrocycles for water treatment. Eco-Environment Health, 2024, 3, P. 381–391.
11. Si M., Tio O.O.H. On an adsorption/photocatalytic performance of nanotubular materials. Nanosyst. Phys. Chem. Math., 2018, 9 (3), P. 410–416.
12. Proskynitopoulou V., Vourros A., Garagounis I., Dimopoulos Toursidis P., Lorentzou S., Zouboulis A., Panopoulos K. Enhancing nutrient and water recovery from liquid digestate: A comparative study of selective electrodialysis and conventional treatment methods. J. Environ. Chem. Eng., 2024, 12, 112675.
13. Tamilselvan R., Immanuel Selwynraj A. Enhancing biogas production through photocatalytic pretreatment of rice straw co-digested with cow dung and food waste using a novel g-C3N4/SiO2/bentonite catalyst. Process Saf. Environ. Prot., 2024, 187, P. 799–809.
14. Lebedev V.T., Kulvelis Y.V., Odinokov A.S., Primachenko O.N., Kononova S.V., Ivan’kova E.M., Orlova V.A., Yevlampieva N.P., Marinenko E.A., Gofman I.V., Shvidchenko A.V., Peters G.S. Proton-conducting membranes based on Nafion® synthesized using a nanodiamond platform. J. Membr. Sci. Lett., 2024, 4, 100070.
15. Wang C., Wu Y., Lu J., Zhao J., Cui J., Wu X., Yan Y., Huo P. Bio-inspired synthesis of photocatalytic nanocomposite membranes based on synergy of Au-TiO2 and polydopamine for the degradation of tetracycline under visible light. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, P. 23687–23697.
16. Isaev A.B., Magomedova A.G. Advanced oxidation processes-based emerging technologies for dye wastewater treatment. Moscow Univ. Chem. Bull., 2022, 77, P. 181–196.
17. Wang C., Wang Y., Qin H., Lin H., Chhuon K. Application of microfiltration membrane technology in water treatment. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., 2020, 571, 012158.
18. Shehata N., Egirani D., Olabi A.G., Inayat A., Abdelkareem M.A., Chae K.-J., Sayed E.T. Membrane-based water and wastewater treatment technologies: Issues, current trends, challenges, and role in achieving sustainable development goals, and circular economy. Chemosphere, 2023, 320, 137993.
19. Chebanenko M.I., Zakharova N.V., Popkov V.I. Synthesis and visible-light photocatalytic activity of graphite-like carbon nitride nanopowders. Russ. J. Appl. Chem., 2020, 93, P. 494–501.
20. Kavitha J., Rajalakshmi M., Phani A.R., Padaki M. Pretreatment processes for seawater reverse osmosis desalination systems—A review. J. Water Process Eng., 2019, 32, 100926.
21. Lebedev L.A., Chebanenko M.I., Popkov V.I. Solvothermal modification of graphitic C3N4 with Ni and Co phthalocyanines: Structural, optoelectronic, and photocatalytic properties. Mendeleev Commun., 2022, 32 (5), P. 317–319.
22. Chebanenko M.I., Martinson K.D., Matsukevich I.V., Popkov V.I. The effect of MgO additive on the g-C3N4 performance in electrochemical reforming of water-ethanol solution. Nanosyst. Phys. Chem. Math., 2020, 11 (4), P. 474–479.
23. Dong F., Wu L., Sun Y., Fu M., Wu Z., Lee S.C. Efficient synthesis of polymeric g-C3N4 layered materials as novel efficient visible light driven photocatalysts. J. Mater. Chem., 2011, 21 (40), P. 15171–15174.
24. Chebanenko M.I., Lebedev L.A., Tenevich M.I., Stovpiaga E.Yu., Popkov V.I. Planetary grinding’s impact on the structure and photocatalytic characteristics of urea-derived g-C3N4 nanocrystals. Nanosyst. Phys. Chem. Math., 2023, 14 (6), P. 705–712.
25. Qamar M.A., Javed M., Shahid S., Shariq M., Fadhali M.M., Ali S.K., Khan M.S. Synthesis and applications of graphitic carbon nitride (g-C3N4) based membranes for wastewater treatment: A critical review. Heliyon, 2023, 9, e12685.
26. Dey T., Naughton D. Cleaning and anti-reflective (AR) hydrophobic coating of glass surface: a review from materials science perspective. J. Sol-Gel Sci. Technol., 2016, 77 (1), P. 1–27.
27. Mittal T. Self-cleaning smart photocatalytic coatings for water treatment. Mater. Today Proc., 2023, 78, P. 891–894.
28. Gubanova G.N., Primachenko O.N., Bugrov A.N., Vylegzhanina M.E., Gofman I.V., Lavrentiev V.K., Ivankova E.N., Vlasova E.N., Kononova S.V. Structural and Morphological Features of Perfluorosulfonic Acid Membranes Doped with Zirconium Dioxide Nanoparticles. J. Surf. Invest.: X-Ray Synchrotron Neutron Tech., 2023, 17 (1), P. 391–403.
29. Sigwadi R., Dhlamini M.S., Mokrani T., ?emavhola F., Nonjola P.F., Msomi P.F. The proton conductivity and mechanical properties of Nafion®/ZrP nanocomposite membrane. Heliyon, 2019, 5, e02240.
30. Garaev V., Pavlovica S., Reinholds I., Vaivars G. Mechanical properties and XRD of Nafion modified by 2-hydroxyethylammonium ionic liquids. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., 2013, 49 (1), 012058.
31. Zhurenok A.V., Larina T.V., Markovskaya D.V., Cherepanova S.V., Mel’gunova E.A., Kozlova E.A. Synthesis of graphitic carbon nitride-based photocatalysts for hydrogen evolution under visible light. Mendeleev Commun., 2021, 31 (2), P. 157–159.
32. Kharina S.N., Kurenkova A.Y., Saraev A.A., Gerasimov E.Y., Kozlova E.A. Copper-modified g-C3N4/TiO2 nanostructured photocatalysts for H? evolution from glucose aqueous solution. Nanosyst. Phys. Chem. Math., 2024, 15 (3), P. 388–397.
33. Chebanenko M.I., Lebedev L.A., Ugolkov V.L., Prasolov N.D., Nevedomskiy V.N., Popkov V.I. Chemical and structural changes of g-C3N4 through oxidative physical vapor deposition. Appl. Surf. Sci., 2022, 600, 154079.
34. Matalkeh M., Nasrallah G.K., Shurrab F.M., Al-Absi E.S., Mohammed W., Elzatahry A., Saoud K.M. Visible light photocatalytic activity of Ag/WO3 nanoparticles and its antibacterial activity under ambient light and in the dark. Results Eng., 2022, 13, 100313.
35. Vilamova Z., Sampaio M.J., Svoboda L., Bednar J., Simonova Z., Dvorsky R., Silva C.G., Faria J.L. Enhancing photocatalytic g-C3N4/PVDF membranes through new insights into the preparation methods. Polymer, 2024, 127238.
36. Huang J., Hu J., Shi Y., Zeng G., Cheng W., Yu H., Gu Y., Shi L., Yi K. Evaluation of self-cleaning and photocatalytic properties of modified g-C3N4 based PVDF membranes driven by visible light. J. Colloid Interface Sci., 2019, 541, P. 356–366.
Дополнительные файлы
![]() |
1. Supplementary information | |
Тема | ||
Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(175KB)
|
Метаданные ▾ |
Рецензия
Для цитирования:
Чебаненко М.И., Лебедев Л.А., Теневич М.И., Мартинсон К.Д., Примаченко О.Н., Кононова С.В., Попков В.И. Самоочищающиеся нанокомпозитные мембраны на основе сульфированного тетрафторэтилена и g-C3N4 для очистки воды. Наносистемы: физика, химия, математика. 2025;16(4):510-520. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-4-510-520
For citation:
Chebanenko M.I., Lebedev L.A., Tenevich M.I., Martinson K.D., Primachenko O.N., Kononova S.V., Popkov V.I. Self-cleaning nanocomposite membranes based on sulfonated tetrafluoroethylene and g-C3N4 for water purification. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2025;16(4):510-520. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-4-510-520