Фильтрующие материалы на основе минеральных волокон с биополимерным слоем

УДК

66.067.125:628.16

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2017.1.186

Аннотация

На основе минеральных волокон и полиэлектролитного комплекса получены композиционные фильтрующие материалы. Для усиления удержания мембранного слоя на подложке и повышения ее гидрофобности в композицию введена модифицированная кремнийорганическая добавка, добавление которой позволяет получить поверхностный биополиэлектролитный слой в виде мембраны, не проникающий в глубь подложки. Полиэлектролитные комплексы альгинат–хитозан и лигносульфонат–хитозан готовили, смешивая в определенном объемном соотношении водные растворы анионных полиэлектролитов лигносульфоната или альгината и уксуснокислотные (концентрация кислоты – 2 %) растворы катионного полиэлектролита хитозана концентрацией 2,5 г/л. Образующиеся в ходе реакции интерполимерного комплексообразования комплексы-осадки отделяли центрифугированием и наносили на минеральную подложку валковым способом с последующей сушкой при постоянной влажности и комнатной температуре. Удержание полиэлектролитного комплекса в структуре композита при работе в различных, в том числе и агрессивных средах (рН 2–11), оценивали по количеству вымываемого из композитного материала анионного компонента в течение суток, эксплуатационные характеристики (эффективность фильтрации, фильтрующая способность) композиционных фильтрующих материалов – с применением модельной 1 %-й суспензии каолина, которую фильтровали через исследуемые композиты. Анализ результатов эксперимента показал, что полученные композиционные мембраны устойчивы к действию агрессивных сред в широком диапазоне рН и могут быть использованы для очистки различных сточных и природных вод. Установлено, что эффективность фильтрации и фильтрующая способность в значительной мере определяются типом и составом мембранных слоев. Для обоих комплексов максимальная эффективность и скорость фильтрации наблюдаются при нанесении на образцы минеральной подложки на основе микротонкого стеклянного волокна стехиометрического биополиэлектролитного комплекса эквимолярного состава. Разработанная композиция полученных фильтрующих материалов позволяет увеличить эффективность фильтрации на 15 %.

Сведения об авторах

О.С. Бровко¹, канд. хим. наук, доц., вед. науч. сотр.

И.А. Паламарчук¹, канд. хим. наук

Н.В. Сысоева², канд. техн. наук, доц.

Н.А. Вальчук¹, асп.

Т.А. Бойцова¹, канд. хим. наук

К.Г. Боголицын^1,2, д-р хим. наук, проф.

В.К. Дубовый², д-р техн. наук, проф.

¹Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики РАН,

наб. Северной Двины, д. 23, г. Архангельск, Россия, 163000;

e-mail: valchuk.natalia@mail.ru

²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова,

наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002;

e-mail: k.bogolitsin@narfu.ru

Ключевые слова

фильтрующие материалы, минеральные волокна, полиэлектролитный комплекс, хитозан, альгинат и лигносульфонат натрия

Источник финансирования

Исследования выполнены при финансовой поддержке ФАНО России в рамках проекта № 0410-2014-0029 «Физико-химические основы изучения основных закономерностей фундаментального цикла «строение–функциональная природа–свойства» природных матриц арктических экосистем» на оборудовании ЦКП КТ РФ «Арктика» (ИЭПС, ИФПА УрО РАН).

Для цитирования

Бровко О.С., Паламарчук И.А., Сысоева Н.В., Вальчук Н.А., Бойцова Т.А., Боголицын К.Г., Дубовый В.К. Фильтрующие материалы на основе минеральных волокон с биополимерным слоем // Лесн. журн. 2017. № 1. С. 186–194. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.1.186

Литература

1. Бровко О.С., Казаков Я.В., Бойцова Т.А., Паламарчук И.А., Тормосина Д.А., Боголицын К.Г. Влияние состава композиции и молекулярных масс лигносульфонатов и хитозана на деформационно-прочностные свойства полимерных пленок на их основе // Лесн. журн. 2013. № 6. С. 120–128. (Изв. высш. учеб. заведений).

2. Маты марки М20-МТВ-0,25. Режим доступа: http://nzsv.ru/katalog/maty-marki-m20-mtv-0-25.html. Новгородский завод стекловолокна.

3. Brovko O.S., Palamarchuk  I.A., Boitsova T.A., Bogolitsyn K.G., Val’chuk N.A., Chukhchin D.G. Influence of the Conformation of Biopolyelectrolytes on the Morphological Structure of their Interpolymer Complexes. Macromolecular Research, 2015, vol. 23, iss. 11, pp. 1059–1067. doi:10.1007/s13233-015-3140-z

4. Pogodina N.V., Pavlov G.M., Bushin S.V., Mel’nikov A.B., Lysenko Ye.B.,  Nudga L., Marsheva V.N., Marchenko G.N., Tsvetkov V.N. Conformational Characteristics of Chitosan Molecules as Demonstrated by Diffusion-Sedimentation Analysis and Viscometry. Polymer Science U.S.S.R., 1986, vol. 28(2), pp. 251–259.

5. Raymond L., Morin F.G., Marchessault R.H. Degree of Deacetylation of Chitosan Using Conductometric Titration and Solid-State NMR. Carbohydr. Res., 1993, vol. 246, pp. 331–336.

6. Wang J., Zhou X., Ma J. Preparation and Characteristics of a Paper-Based Ultrafiltration Membrane. Bioresource Technology, 2012, vol. 7(1), pp. 545–553. 

Поступила 09.02.16

Ссылка на английскую версию:

Filter Materials Based on Mineral Fibers with Biopolymer Layer

UDC 66.067.125:628.16

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.1.186

Filter Materials Based on Mineral Fibers with Biopolymer Layer

O.S. Brovko¹, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Senior Research Scientist

I.A. Palamarchuk¹, Candidate of Chemical Sciences

N.V. Sysoeva², Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

N.A Val’chuk¹, Postgraduate Student

T.A. Boytsova¹, Candidate of Chemical Sciences

K.G. Bogolitsyn^1,2, Doctor of Chemical Sciences, Professor

V.K. Dubovyy², Doctor of Engineering Sciences, Professor

¹ Federal Center for Intergrated Arctic Research, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 23,

Arkhangelsk, 163000, Russian Federation; e-mail: valchuk.natalia@mail.ru

² Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation;

e-mail: k.bogolitsin@narfu.ru

The composite filter materials based on the mineral fibers and the polyelectrolyte complex were obtained. The modified organosilicone additive was introduced into the composition to enhance the retention of the membrane layer on the substrate and its hydrophobicity. This allowed us to obtain the surface biopolyelectrolyte layer in the form of membrane, which did not penetrate deep into the substrate. The alginate–chitosan and lignosulphonate–chitosan polyelectrolyte complexes were prepared by mixing in a certain volume ratio of aqueous solutions of anionic polyelectrolytes of lignosulphate or alginate and the acetic acid (the acid concentration is 2 %) solutions of cationic chitosan polyelectrolyte with the concentration of 2.5 g/l. The complexes-sediments formed during the interpolymer complexing reaction were separated by centrifugation and were applied to a mineral substrate by the roller method with the subsequent drying process at constant humidity and room temperature. The PEC retention in the composite structure during operation in different, including excited environments (pH 2–11) was evaluated by the quantity of anionic component eluted from the composite material within 24 hours. Performance characteristics (filtration efficiency, filtering capacity) of composite filtering materials were assessed using the model 1 % kaolin suspension, filtered through the composites. The obtained composite membranes are resistant to aggressive environments in a wide pH range and can be used for wastewater and natural water purification. The filtration efficiency and filtering capacity to a large extent are determined by the type and composition of the membrane layers. Maximum efficiency and filtration rate are observed at the equimolar composition applying on the mineral substrate samples based on microfine glass fiber of the stoichiometrical biopolyelectrolyte complex. The developed composition of obtained filter materials increases the filtration efficiency by 15 %.

Keywords: filter material, mineral fiber, polyelectrolyte complex, chitosan, sodium alginate, sodium lignosulfonate. 

REFERENCES

1. Brovko O.S., Kazakov Ya.V., Boytsova T.A., Palamarchuk I.A., Tormosina D.A., Bogolitsyn K.G. Vliyanie sostava kompozitsii i molekulyarnykh mass lignosul'fonatov i khitozana na deformatsionno-prochnostnye svoystva polimernykh plenok na ikh osnove [Effect of the Composition and Molecular Weight of Lignosulfonates and Chitosan on the Physical and Mechanical Properties of Polymer Films on their Basis]. Lesnoy zhurnal, 2013, no. 6, pp. 120–128.

2. Maty marki M20-MTV-0,25 [Mats of the Brand of М20-МТВ-0,25]. Available at: http://nzsv.ru/katalog/maty-marki-m20-mtv-0-25.html.

3. Brovko O.S., Palamarchuk  I.A., Boitsova T.A., Bogolitsyn K.G., Val’chuk N.A., Chukhchin D.G. Influence of the Conformation of Biopolyelectrolytes on the Morphological Structure of their Interpolymer Complexes. Macromolecular Research, 2015, vol. 23,
iss. 11, pp. 1059–1067. doi:10.1007/s13233-015-3140-z

4. Pogodina N.V., Pavlov G.M., Bushin S.V., Mel’nikov A.B., Lysenko Ye.B.,  Nudga L., Marsheva V.N., Marchenko G.N., Tsvetkov V.N. Conformational Characteristics of Chitosan Molecules as Demonstrated by Diffusion-Sedimentation Analysis and Viscometry. Polymer Science U.S.S.R., 1986, vol. 28(2), pp. 251–259.

5. Raymond L., Morin F.G., Marchessault R.H. Degree of Deacetylation of Chitosan Using Conductometric Titration and Solid-State NMR. Carbohydr. Res., 1993, vol. 246,
pp. 331–336.

6. Wang J., Zhou X., Ma J. Preparation and Characteristics of a Paper-Based Ultrafiltration Membrane. Bioresource Technology, 2012, vol. 7(1), pp. 545–553. 

Received on February 09, 2016