MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS
The tubular ceramic membranes of clay minerals were modified with pyrocarbon, which was obtained by carbonizing of polymer precursors at 750 ° С in an argon flow. The precursor to carbonization of membrane II was polyurethane, obtained from laprol and polyisocyanate. A precursor to carbonization of...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2019
|
| Online Zugang: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/57 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871465543894040576 |
|---|---|
| author | Goncharuk, Vladislav Kucheruk, Dmitry Dubrovina, Liubov Vyshnevskyi , Oleksii Dubrovin, Igor Ogenko, Volodymyr |
| author_facet | Goncharuk, Vladislav Kucheruk, Dmitry Dubrovina, Liubov Vyshnevskyi , Oleksii Dubrovin, Igor Ogenko, Volodymyr |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Vladislav Goncharuk",
"institution": "A.V. Dumanskii Institute of Colloid Chemistry and the Chemistry of Water of the National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Dmitry Kucheruk",
"institution": "A.V. Dumanskii Institute of Colloid Chemistry and the Chemistry of Water of the National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Liubov Dubrovina",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Oleksii Vyshnevskyi ",
"institution": "M.P. Semenenko Institute of Geochemistry, Mineralogy and Ore Formation of the National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Igor Dubrovin",
"institution": "Chuiko Institute of Surface Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Volodymyr Ogenko",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Goncharuk, Vladislav |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:40Z |
| description | The tubular ceramic membranes of clay minerals were modified with pyrocarbon, which was obtained by carbonizing of polymer precursors at 750 ° С in an argon flow. The precursor to carbonization of membrane II was polyurethane, obtained from laprol and polyisocyanate. A precursor to carbonization of the membrane III was a mixture of polymers formed by the reaction of components of an aqueous solution of a dry solution with NCO-groups of polyisocyanate. As a result of the modification, the membranes became black with a metallic luster. The composition and structure of the membranes were studied by XRF and SEM. The modifier of the membrane II is located in the pore space in the form of sintered agglomerates. The modifier of the membrane III is represented not only by the same agglomerates, but also envelops the structural elements of the membrane material. The apparent density and open porosity for the unmodified membrane are 1.80 g/cm3 and 44.9 %, for membrane II - 1.67 g/cm3 and 39.9 %, for membrane III - 1.68 g/cm3 and 38.3 %. Testing of modified membranes was carried out by water purification from Ca2 + and Fe3 + using the baromembrane method. The concentration of Ca2 + and Fe3 + in aqueous solutions of CaCl2 and FeCl3 was 100 mg/dm3. The period of time until the establishment of dynamic equilibrium in systems during water purification is (1–3 h). After reaching equilibrium the retention factor (R) of Ca2 + during water purification with membrane II is 30% at a pressure of 0.6 MPa, and at a pressure of 1.1 MPa – 18 %. The specific productivity increases with increasing pressure from 10 to 18 dm3/(m2×h). The R of Ca2 + in water purification with membrane III is 22 % at a pressure of 0.4 MPa, and the specific productivity is 47 dm3/(m2×h). The unmodified membrane does not inhibit Ca2 + at all, and its specific productivity at a working pressure of 0.7 MPa decreases from 755 to 500 dm3/(m2×h) in 2-3 hours. The coefficient of retention of Fe3 + by membrane III after 5 hours at a working pressure of 0.4 MPa is 98 % The specific productivity in this case is 8 dm3/(m2×h). |
| doi_str_mv | 10.33609/0041-6045.85.6.2019.97-103 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:43:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
ФІЗИЧНА ХІМІЯ
УДК 628.16:544.725.2:66-96:666(8...372+683): 613.287.54:546.26: 661.682 doi: 10.33609/0041-6045.85.6.2019.97-103
В.В.Гончарук1, Д.Д.Кучерук1, Л.В.Дубровина2*, А.А.Вишневский3,
И.В.Дубровин4, В.М.Огенко2
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МЕМБРАН
ПИРОУГЛЕРОДОМ ИЗ КАРБОНИЗОВАННЫХ ПОЛИМЕРОВ
1 Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В.Думанского НАН Украины,
бульвар Академика Вернадского, 42, Киев, 03142, Украина
2 Институт общей и неорганической химии им. В.И.Вернадского НАН Украины,
просп. Академика Палладина, 32/34, Киев, 03142, Украина
3 Институт геохимии, минералогии и рудообразования им. Н.П.Семененко
НАН Украины, просп. Академика Палладина, 34, Киев, 03142, Украина
4 Институт химии поверхности им. А.А.Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова, 17,
Киев, 03164, Украина
* e-mail: dubrovina@ua.fm
Модифицирование керамических мембран пироуглеродом проведено карбонизацией поли-
меров, образовавшихся при реакции полиизоцианата с лапролом или молоком. Состав и
морфология модифицированных мембран изучены методами РФА и сканирующей элек-
тронной микроскопии. Установлено, что в порах мембран присутствует пироуглерод, а
размер пор после модификации уменьшается. Модифицированные мембраны тестировали
по очистке воды от ионов Ca2+ и Fe3+ баромембранным методом. Коэффициент задер-
живания и удельная производительность при очистке воды от ионов Ca2+ у модифициро-
ванных мембран зависят от состава прекурсора карбонизации и колеблются от 18 до 30 %
и от 10 до 47 дм3/(м2⋅ч) соответственно. Для мембраны с карбонизованными сополимера-
ми молока и полиизоцианата при очистке воды от ионов Fe3+ коэффициент задерживания
составляет 98 %, а удельная производительность — 8 дм3/(м2⋅ч).
К л ю ч е в ы е с л о в а: керамические мембраны, пироуглеродное модифицирование,
полиизоцианат, молоко, лапрол, очистка воды.
ВВЕДЕНИЕ. Баромембранные способы раз-
деления жидких сред (микро-, ультра-, нано-
фильтрация и обратный осмос) успешно испо-
льзуются на протяжении многих десятилетий
благодаря высоким технико-экономическим ха-
рактеристикам. Они находят широкое приме-
нение в различных областях водоподготовки,
включая опреснение морской воды, а также в
химической, нефтехимической, пищевой, био-
технологической, фармацевтической и других
отраслях промышленности [1, 2].
Большая часть рынка мембран занята по-
лимерными мембранами из-за их невысокой сто-
имости. Однако полимерные мембраны име-
ют низкие механическую прочность и устойчи-
вость к загрязнению. Неорганические мембра-
ны не подвержены воздействию микроорганиз-
мов и обладают высокой химической, терми-
ческой и механической стойкостью, что позво-
ляет применять их там, где требуется прояв-
ление этих свойств. Кроме того, керамические
мембраны после использования легко регенери-
ровать с помощью агрессивных химикатов или
выжиганием органических загрязнений [3–5].
Одним из главных недостатков неоргани-
ческих мембран из керамики является неод-
© В.В.Гончарук, Д.Д.Кучерук, Л.В.Дубровина, А.А.Вишневский, И.В.Дубровин, В.М.Огенко, 2019
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 6 97
mailto:dubrovina@ua.fm
нородный размер пор. Наиболее перспектив-
ный способ решения данной проблемы — мо-
дифицирование керамических мембран. Ком-
позитные мембраны включают в себя покры-
тие керамической основы частицами из раз-
ных материалов, например, углерода. При твер-
дофазной карбонизации пленок органических
или полимерных прекурсоров, нанесенных на
мембрану, углерод концентрируется в объеме
пор мембраны или на их поверхности. Как пра-
вило, прекурсор наносят на пористую керами-
ческую подложку (осаждением или пропиткой),
а последующая термообработка в инертной ат-
мосфере или вакууме позволяет получить по-
ристую структуру. Наиболее распространенны-
ми полимерными прекурсорами являются смо-
лы, полиимиды и другие карбонизующиеся по-
лимеры. Формирование той или иной структу-
ры пироуглерода зависит от концентрации и
состава прекурсора, промежуточных продук-
тов карбонизации, ее условий и др. [6–8].
Цель данной работы — модифицирование
трубчатых керамических мембран пироугле-
родом из полимерных прекурсоров на основе
полиизоцианата и их тестирование по ионам
Ca2+ и Fe3+ для изучения возможности исполь-
зования при очистке воды.
ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬ-
ТАТОВ . Для пироуглеродного модифицирова-
ния использовали микрофильтрационные ке-
рамические мембраны из глинистых минера-
лов, полученные методом шликерного литья
(Институт коллоидной химии и химии воды
им. А.В.Думанского НАН Украины). Мембра-
ны представляют собой трубки желтоватого
цвета с наружным и внутренним диаметром
12 и 5 мм соответственно.
Прекурсорами карбонизации были поли-
меры, образующиеся из полиизоцианата и лап-
рола или молока. Полиизоцианат (ПИЦ) мар-
ки IsoPMDI92140 (Elastogran, Германия) явля-
ется продуктом на основе 4,4’-дифенилметан-
диизоцианата (концентрация NCO-групп сос-
тавляет 31 %, средняя функциональность — око-
ло 2.7). Лапрол 5003 (Россия) представляет
собой полиоксиалкилентриол, содержащий 70
% оксиэтиленовых и 30 % оксипропиленовых
звеньев (по массе). Молоко получали при раст-
ворении в дистиллированной воде сухого обез-
жиренного молока, содержащего 32 % белков,
1.5 % жиров и 55 % углеводов, остальное — ми-
неральные вещества (Украина, ДСТУ 4273:2003).
Состав исходных и модифицированных ме-
мбран изучали методом рентгенофазового ана-
лиза (РФА) на автоматическом дифрактометре
ДРОН-3М с источником излучения CuKα (λ=
= 1.54178 Ao ) в диапазоне углов от 5 до 70° 2Θ.
Морфологию поверхности поперечных сре-
зов образцов исследовали с помощью сканиру-
ющего электронного микроскопа JSM-6700F
(JEOL, Япония). Предварительно на поверх-
ность образцов напыляли платиновую пленку
толщиной 30 Ao . Съемку выполняли в режиме
SEI при ускоряющем напряжении 10 кВ и токе
зонда 0.65 нА.
Кажущуюся плотность (dкаж) и открытую
пористость мембран по поглощению четырех-
хлористого углерода (W) определяли по мето-
дикам, приведенным в работе [9].
Модифицированные мембраны тестирова-
ли по очистке воды от ионов Са2+ или Fe3+ на
модельных растворах CaCl2 и FeCl3 в дистил-
лированной воде с концентрацией Са2+ или
Fe3+ 100 мг/дм3. Концентрацию ионов Fe3+ оп-
ределяли по ГОСТ 4011-72 с сульфосалицило-
вой кислотой на фотоэлектроколориметре КФК-
2 МП, а Са2+ — трилонометрически.
Свойства мембран изучали на лаборатор-
ной баромембранной установке, работающей в
проточно-рециркуляционном режиме при ра-
бочих давлениях от 0.1 до 1.1 МПа. По резуль-
татам испытаний определяли коэффициент
задерживания (R, %) и удельную производи-
тельность (Jv, дм3/(м2⋅ч)) мембран [10, 11].
Были получены следующие образцы мо-
дифицированных мембран: мембрана II — ис-
ходную мембрану I обрабатывали лапролом и
ПИЦ; мембрана III — исходную мембрану I об-
рабатывали раствором сухого молока в дистил-
лированной воде и ПИЦ. Затем проводили кар-
бонизацию при 750 oС в потоке аргона.
Исходя из литературных данных [6] осно-
вой для синтеза полимерных прекурсоров кар-
бонизации в порах модифицируемой мембра-
В.В.Гончарук, Д.Д.Кучерук, Л.В.Дубровина и др.
98 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 6
ны был выбран ПИЦ. NCO-группы ПИЦ лег-
ко вступают в реакцию с гидроксильными груп-
пами, молекулами воды, аминами и др. [12]:
R1–OH + OCNR2 = R1OCONH–R2,
H2O + 2OCN–R2 = R2–NHCONH–R2~ + CO2,
R3–NH2 + OCN–R2 = R3–NHCONH–R2.
Поскольку функциональность ПИЦ > 2, в
порах мембраны II образуется трехмерный по-
лиуретан из ПИЦ и лапрола, возможно, вклю-
чающего в себя полимочевинные фрагменты за
счет реакции ПИЦ с парами воды, присутст-
вующими в порах. Кроме того, этот трехмер-
ный полимер может быть химически связан
с поверхностью пор мембраны за счет имею-
щихся в составе материала мембраны гид-
роксильных групп. Модификатором мембраны
является образовавшийся при карбонизации
такого полимерного прекурсора пироуглерод.
При использовании молока (мембрана III)
в порах мембраны происходит целый ряд ре-
акций между NCO-группами ПИЦ и компоне-
нтами молока [13] и водой [12]. При реакции
с водой образуется полимочевина и углекис-
лый газ. NH2-группы аминокислот (белки моло-
ка представляют собой смесь аминокислот) ре-
агируют с NCO-группами ПИЦ с образовани-
ем полимочевин. При реакции с карбоксильны-
ми группами как аминокислот, так и кислот,
входящих в состав молочных жиров, образуют-
ся амиды и ангидриды соответствующих кис-
лот. При этих реакциях также выделяется угле-
кислый газ. И, наконец, углеводы, состоящие
в основном из лактозы, содержат ОН-группы,
реагирующие с NCO-группами ПИЦ с обра-
зованием уретановой группировки. Таким об-
разом, при модификации мембраны III образу-
ется целый набор полимеров ПИЦ с компонен-
тами молока, которые можно рассматривать как
псевдо-взаимопроникающую сетку (псевдо-ВПС).
При карбонизации этой совокупности полиме-
ров образуется модификатор мембраны — пиро-
углерод, а входящие в состав молока кальций
и магний переходят в нерастворимые карбонаты.
Некоторые характеристики модифициро-
ванных мембран представлены в табл. 1. Как
видно из этой таблицы, в результате модифи-
кации уменьшились кажущаяся плотность и по-
ристость образцов. Это свидетельствует о присут-
ствии в порах модифицированных мембран
пироуглерода (углерод легче, чем керамика).
После карбонизации цвет мембран измени-
лся от слегка желтоватого до черного с метал-
лическим блеском, что свидетельствует об об-
разовании на поверхности и в порах мембраны
пироуглерода и, возможно, графита [6]. РФА по-
казал (рис. 1), что рефлексы углерода, включая
графит, на дифрактограммах выделить невоз-
можно из-за того, что они очень слабы по сра-
внению с рефлексами материала мембраны (кон-
центрация пироуглерода слишком низкая). На
Модифицирование трубчатых керамических мембран ...
Плотность (dкаж) и пористость (W) модифици-
рованных пироуглеродом мембран
Образец Прекурсор
карбонизации
dкаж,
г/см3 W, %
Мембрана I — 1.80 44.9
Мембрана II Полиуретан из
лапрола и ПИЦ
1.67 39.9
Мембрана III Сополимеры компо-
нентов молока и ПИЦ
1.68 38.3
Рис. 1. Дифрактограммы исходной мембраны I
(1) и модифицированных мембран II (3) и III (2).
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 6 99
образование углерода и, возможно, графита в
модифицированных мембранах по сравнению
с исходной косвенно показывает увеличение
относительной интенсивности рефлексов 26.6
и 44.0 2Θ, которые перекрываются рефлекса-
ми от материала исходной мембраны.
На рис. 2 представлены микрофотографии
исходной и модифицированных мембран. Вид-
но, что структура заполнителя пор в модифи-
цированных мембранах различна. В мембране
II модификатор представляет собой агломераты
спеченного пироуглерода, располагающиеся в
поровом пространстве (рис. 2, б). В мембране III
модификатор представлен не только такими же
агломератами, но и обволакивает структурные
элементы материала мембраны (рис. 2, в). По-
видимому, этим и обусловлена меньшая порис-
тость мембраны III по сравнению с мембраной II.
На рис. 3, 4 представлены результаты тес-
тирования мембран на соответствие их ультра-
фильтрационным свойствам. Исходная немо-
дифицированная мембрана I ионы Ca2+ из рас-
твора СаCl2 не задерживает вообще, а ее уде-
льная производительность при рабочем давле-
нии 0.7 МПа за 2–3 часа уменьшается от 755
до 500 дм3/(м2⋅ч) (рис. 4, кривая 1).
В.В.Гончарук, Д.Д.Кучерук, Л.В.Дубровина и др.
б б’
a
в в’
Рис. 2. Микрофотографии поперечных срезов ис-
ходной мембраны I (а) и модифицированных мем-
бран II (б,б′) и III (в,в′).
Рис. 3. Зависимость коэффициента задерживания
Са2+ и Fe3+ от времени фильтрования растворов
CaCl2 (1–3) и FeCl3 (4) при давлении 0.4 (2, 4); 0.6 (3)
и 1.1 (1) МПа для модифицированных мембран II
(1, 3) и III (2, 4).
Рис. 4. Зависимость удельной производительности
исходной мембраны I (1) и модифицированных
мембран II (3, 4) и III (2, 5) при давлении 0.4 (2, 5);
0.6 (4); 0.7 (1) и 1.1 (3) МПа от времени (τ) фильтро-
вания растворов СаCl2 (1–4) и FeCl3 (5).
100 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 6
Как следует из рис. 3, после выхода на рав-
новесие коэффициент задерживания R ионов
Ca2+ модифицированной мембраной II при уве-
личении рабочего давления от 0.6 до 1.1 МПа
уменьшается примерно в полтора раза. При дав-
лении 1.1 МПа равновесие достигается на час
раньше (рис. 3, кривые 1,3). Удельная произ-
водительность этой мембраны при увеличении
рабочего давления от 0.6 до 1,1 МПа увели-
чивается примерно в полтора раза. Кривые этой
зависимости от времени достигают равнове-
сия через 2–3 ч (рис. 4, кривые 3, 4).
Для модифицированной мембраны III коэф-
фициент задерживания R ионов Ca2+ при ра-
бочем давлении 0.4 МПа после достижения рав-
новесия составляет 22 % (рис. 3, кривая 2). Уде-
льная производительность уменьшается от 92
до 47 дм3/(м2⋅ч) (рис. 4, кривая 2). Мембрана III
имеет лучшую удельную производительность
при очистке воды от ионов Ca2+, чем мембра-
на II, поэтому ее применили для очистки воды
от ионов Fe3+. Как видно из рис. 3 (кривая 4),
коэффициент задерживания через 5 ч составля-
ет 98 % (остаточная концентрация Fe3+ 2 мг/дм3).
Удельная производительность через 4 ч перес-
тает уменьшаться и составляет всего 8 дм3/(м2⋅ч)
(рис. 4, кривая 5). Известно [14], что Fe3+ при-
сутствует в водных растворах в виде различных
полиядерных гидроксокомплексов, размер кото-
рых намного больше, чем у негидратированно-
го иона. Кроме того, эти комплексы могут обра-
зовывать на поверхности мембраны так назы-
ваемую динамическую мембрану. Она умень-
шает размер пор работающей мембраны и по-
вышает ее задерживающую способность, но
уменьшает производительность.
Некоторый период времени до наступле-
ния равновесия при испытаниях мембран, по-
видимому, объясняется взаимодействием ком-
понентов фильтруемого раствора с материалом
мембран (формирование динамической мемб-
раны) и наличием в порах как немодифици-
рованной, так и модифицированных мембран
частиц керамики или пироуглерода, вымывае-
мых потоком фильтрующегося раствора.
ВЫВОДЫ. Пироуглеродная модификация ке-
рамических мембран карбонизацией полимер-
ных прекурсоров из ПИЦ и лапрола или моло-
ка позволила из микрофильтрационных мемб-
ран получить ультрафильтрационные мембра-
ны. Эксплуатационные свойства модифициро-
ванных мембран при баромембранной очис-
тке воды от ионов Ca2+ та Fe3+ зависят от
структуры пироуглеродного заполнителя пор
мембран и состава фильтруемого раствора.
МОДИФІКУВАННЯ ТРУБЧАСТИХ КЕРАМИЧНИХ
МЕМБРАН ПІРОВУГЛЕЦЕМ З КАРБОНІЗОВАНИХ
ПОЛІМЕРІВ
В.В.Гончарук1, Д.Д.Кучерук1, Л.В.Дубровіна2*,
О.А.Вишневський3, І.В.Дубровін4, В.М.Огенко2
1 Інститут колоїдної хімії та хімії води
ім. А.В.Думанського НАН України, бульвар Ака-
деміка Вернадського, 42, Київ, 03142, Україна
2 Інститут загальної та неорганічної хімії
ім.В.І.Вернадського НАН України, просп. Ака-
деміка Палладіна, 32/34, Київ, 03142, Україна
3 Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення
ім. М.П.Семененка НАН України, просп. Ака-
деміка Палладіна, 34, Київ, 03142, Україна
4 Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка НАН
України, вул. Генерала Наумова, 17,
Київ, 03164, Україна
* e-mail: dubrovina@ua.fm
Проведено модифікування трубчастих кера-
мічних мембран з глинистих мінералів піровугле-
цем, який отримували карбонізацією полімерних
прекурсорів при 750 оС в потоці аргону. Прекур-
сор карбонізації мембрани II — поліуретан, що
утворюється з лапролу і поліізоціанату, мембрани
III — суміш полімерів, що утворилися при реакції
компонентів водного розчину сухого молока з
NCO-групами поліізоціанату. В результаті моди-
фікування мембрани придбали чорний колір з
металевим блиском. Склад і структуру мембран
вивчено методами РФА і СЕМ. Модифікатор ме-
мбрани II розташовується в поровому просторі
у вигляді спечених агломератів. Модифікатор ме-
мбрани III представлений не тільки такими ж аг-
ломератами, але й обволікає структурні елемен-
ти ма теріалу мембрани. Уявна щільність і відкри-
та пористість становили у мембрани II 1.67 г/см3 і
39.9 %, у мембрани III — 1.68 г/см3 і 38.3 % відпо-
відно. Ці характеристики для немодифікованої
мембрани складали 1.80 г/см3 та 44.9 %. Модифі-
ковані мембрани тестували через очищення во-
ди від Ca2+ і Fe3 + баромембранним методом при
робочому тиску 0.4, 0.6, 0.7 та 1.1 МПа. Концен-
Модифицирование трубчатых керамических мембран ...
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 6 101
mailto:dubrovina@ua.fm
трація Ca2+ і Fe3+ у водних розчинах CaCl2 та FeCl3
становила 100 мг/дм3. Період часу до встановлен-
ня динамічної рівноваги в системах при очищенні
води — 1–3 год. Після досягнення рівноваги
коефіцієнт затримування (R) іонів Ca2+ при очи-
щенні води мембраною II становить 30 % при ти-
ску 0.6 МПа, а при тиску 1.1 МПа — 18 %. Питома
продуктивність зростає при збільшенні тиску від
10 до 18 дм3/(м2⋅год). R Ca2+ при очищенні води
мембраною III складає 22 % при тиску 0.4 МПа, а
питома продуктивність — 47 дм3/(м2⋅год). Немо-
дифікована мембрана Ca2+ з розчину СаCl2 не
затримує взагалі, а її питома продуктивність при
робочому тиску 0.7 МПа за 2–3 год зменшуєть-
ся від 755 до 500 дм3/(м2⋅год). Для мембрани III
при очищенні води від іонів Fe3+ коефіцієнт за-
тримування становить 98 %, а питома продук-
тивність — 8 дм3/(м2⋅год).
К л ю ч о в і с л о в а: керамічні мембрани,
модифікування, піровуглець, поліізоціанат, моло-
ко, лапрол, очищення води.
MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEM-
BRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED
POLYMERS
V.V.Goncharuk1, D.D.Kucheruk1, L.V.Dubrovina2*,
O.A.Vyshnevskyi3, I.V.Dubrovin4, V.M.Ogenko2
1 Dumansky Institute of Colloid Chemistry and the
Chemistry of Water of the National Academy
of Sciences of Ukraine, 42 Academic Vernadsky
boulevard, Kyiv, 03142, Ukraine
2 V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic
Chemistry of the National Academy of Sciences
of Ukraine, 32/34 Academic Palladin Avenue,
Kyiv, 03142, Ukraine
3 Semenenko Institute of geochemistry, mineralogy
and ore formation of the National Academy
of Sciences of Ukraine, 34 Academic Palladin
Avenue, Kyiv, 03142, Ukraine
4 Chuiko Institute of Surface Chemistry of the
National Academy of Sciences of Ukraine,
17 General Naumov Str., Kyiv, 03164, Ukraine
* e-mail: dubrovina@ua.fm
The tubular ceramic membranes of clay mine-
rals were modified with pyrocarbon, which was ob-
tained by carbonizing of polymer precursors at 750
°С in an argon flow. The precursor to carbonization of
membrane II was polyurethane, obtained from laprol
and polyisocyanate. A precursor to carbonization of
the membrane III was a mixture of polymers formed
by the reaction of components of an aqueous solution
of a dry solution with NCO-groups of polyisocyanate.
As a result of the modification, the membranes be-
came black with a metallic luster. The composition and
structure of the membranes were studied by XRF and
SEM. The modifier of the membrane II is located in
the pore space in the form of sintered agglomerates.
The modifier of the membrane III is represented not
only by the same agglomerates, but also envelops the
structural elements of the membrane material. The
apparent density and open porosity for the unmodified
membrane are 1.80 g/cm3 and 44.9 %, for membrane
II — 1.67 g/cm3 and 39.9 %, for membrane III — 1.68
g/cm3 and 38.3 %. Testing of modified membranes
was carried out by water purification from Ca2+ and
Fe3+ using the baromembrane method. The concentra-
tion of Ca2+ and Fe3+ in aqueous solutions of CaCl2
and FeCl3 was 100 mg/dm3. The period of time until
the establishment of dynamic equ librium in sys-
tems during water purification is (1–3 h). After
reaching equilibrium the retention factor (R) of Ca2+
during water purification with membrane II is 30 % at
a pressure of 0.6 MPa, and at a pressure of 1.1 MPa
—18 %. The specific productivity increases with in-
creasing pressure from 10 to 18 dm3/(m2⋅h). The R of
Ca2+ in water purification with membrane III is 22 %
at a pressure of 0.4 MPa, and the specific productivi-
ty is 47 dm3/(m2⋅h). The unmodified membrane does
not inhibit Ca2+ at all, and its specific productivity at
a working pressure of 0.7 MPa decreases from 755 to
500 dm3/(m2⋅h) in 2–3 hours. The coefficient of re-
tention of Fe3+ by membrane III after 5 hours at a
workingЕ pressure of 0.4 MPa is 98 %. The specific
productivity in this case is 8 dm3/(m2⋅h).
K e y w o r d s: ceramic membranes, pyrocarbon,
polyisocyanate, milk, laprol, water purification.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мулдер М. Введение в мембранную техноло-
гию. – М.: Мир, 1999.
2. Baker R.W. Membrane Technology and Applica-
tions. -New York: Willey, 2012.
3. Kim J., Van der Bruggen B. The use of nanopar-
ticles in polymeric and ceramic membrane stru-
ctures: Review of manufacturing procedures and
performance improvement for water treatment //
Environ. Pollut. -2010. -158, № 7. -P. 2335–2349.
4. Verweij H. Inorganic membranes // Curr. Opin.
Chem. Eng. -2012. -1, № 2. -P. 156–162.
5. Ashaghi K.S., Ebrahimi M., Czermak P. Ceramic
Ultra- and Nanofiltration Membranes for Oilfield
Produced Water Treatment: A Mini Review //
Open Environmental Sci. -2007. -1. -P. 1–8. doi:
В.В.Гончарук, Д.Д.Кучерук, Л.В.Дубровина и др.
102 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 6
mailto:dubrovina@ua.fm
10.2174/1876325100701010001
6. Грибанов А.В., Сазанов Ю.Н. Карбонизация
полимеров (обзор) // Журн. прикл. химии. -
1997. -70, № 6. -С. 881–902.
7. Алексеева О.К., Котенко А.А., Челяк М.М. Вы-
сокотемпературные фильтры и газораздели-
тельные мембраны, полученные в условиях
контролируемой карбонизации полимеров //
Сер. Критические технологии. Мембраны.
-2007. -36, № 4. -С. 3–16.
8. Солдатов А.П., Виткина Д.Е., Школьников
Е.И. и др. Наноразмерные кристаллиты пиро-
углерода, их cуперпозиция и углеродные на-
нотрубки из графенов в порах ультрафильтра-
ционных мембран // Журн. физ. химии. -2010.
-84, № 6. -С. 1128–1134.
9. Волочко А.Т., Подболотов К.Б., Дятлова Е.М.
Огнеупорные и тугоплавкие керамические ма-
териалы. -Минск: Беларус. навука, 2013.
10. Dulneva T.Yu., Titoruk G.N., Kucheruk D.D.,
Goncharuk V.V. Water purification from dye dia-
mond green by the home ceramic мicrofiltrations
modified membranes // J. Water Chem. and Tech-
nol. -2013. -35, № 4. -P. 165–169.
11. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. -Ки-
ев: Наук. думка, 1989.
12. Саундерс Дж., Фриш К. Химия полиуретанов.
-М.: Мир, 1968.
13. Горбатова К.К., Гунькова П.И. Биохимия мо-
лока и молочных продуктов. -СПб.: ГИОРД, 2010.
14. Назаренко В.А., Антонович В.П., Невская Е.М.
Гидролиз ионов металлов в разбавленных рас-
творах. -М.: Атомиздат, 1979.
REFERENCES
1. Mulder M. Basic Principles of Membrane Tech-
nology. (Dordrecht: Kluwer Academic, 1996).
2. Baker R.W. Membrane Technology and Applica-
tions. (New York: Willey, 2012).
3. Kim J., Van der Bruggen B. The use of nanopar-
ticles in polymeric and ceramic membrane struc-
tures: Review of manufacturing procedures and
performance improvement for water treatment.
Environ. Pollut. 2010. 158 (7): 2335.
4. Verweij H. Inorganic membranes. Curr. Opin. Chem.
Eng. 2012. 1 (2): 156.
5. Ashaghi K.S., Ebrahimi M., Czermak P. Ceramic
Ultra- and Nanofiltration Membranes for Oilfield
Produced Water Treatment: A Mini Review. Open
Environmental Sci. 2007. 1: 1. doi: 10.2174/187
6325100701010001
6. Gribanov A.V., Sazanov YU.N. Carbonization of
polymers. Rus. J. Appl. Chem. 1997. 70 (6): 839.
7. Alekseeva O.K., Kotenko A.A., Chelyak M.M.
High-temperature filters and gas separation mem-
branes obtained under controlled carbonization of
polymers. Critical technology. Membranes. 2007.
4 (36): 3. [in Russian].
8. Soldatov A.P., Parenago O.P., Vitkina D.E., Shkol-
nikov E.I., Levchenko A.N. Nanosized pyrocar-
bon crystallites, their superposition, and carbon
nanotubes of graphenes in the pores of ultrafiltra-
tion membranes. Rus. J. Phys. Chem., A. 2010. 84
(6): 1015.
9. Volochko A.T., Podbolotov K.B., Dyatlova E.M.
Refractory and Infusible Ceramic Materials.
(Minsk: Bel. Nabyka, 2013). [in Russian].
10. Dulneva T.Yu., Titoruk G.N., Kucheruk D.D.,
Goncharuk V.V. Water purification from dye dia-
mond green by the home ceramic мicrofiltrations
modified membranes. J .Water Chem. and Tech-
nol. 2013. 35 (4): 165.
11. Bryk M.T., Tsapyuk E.A. Ultrafiltration. (Kyiv:
Nauk. Dumka, 1989). [in Russian].
12. Saunders J., Frish K. Polyurethanes: Chemistry
and Technology. Part I. Chemistry. (New York:
Wiley, 1962).
13. Gorbatova K.K., Gun’kova P.I. Biochemistry of
milk and dairy products. (SPb.: GIORD, 2010).
[in Russian].
14. Nazarenko V.A., Antonovich V.P., Nevskaya E.M.
Hydrolysis of metal ions in dilute solutions. (Mos-
cow: Atomizdat, 1979). [in Russian].
Поступила 04.06.2019
Модифицирование трубчатых керамических мембран ...
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 6 103
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-57 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:03:43Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/f8/3446ca3138933aeb1a768aed4c50e7f8.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-572026-07-22T08:23:40Z MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS Goncharuk, Vladislav Kucheruk, Dmitry Dubrovina, Liubov Vyshnevskyi , Oleksii Dubrovin, Igor Ogenko, Volodymyr ceramic membranes, pyrocarbon, polyisocyanate, milk, laprol, water purification The tubular ceramic membranes of clay minerals were modified with pyrocarbon, which was obtained by carbonizing of polymer precursors at 750 ° С in an argon flow. The precursor to carbonization of membrane II was polyurethane, obtained from laprol and polyisocyanate. A precursor to carbonization of the membrane III was a mixture of polymers formed by the reaction of components of an aqueous solution of a dry solution with NCO-groups of polyisocyanate. As a result of the modification, the membranes became black with a metallic luster. The composition and structure of the membranes were studied by XRF and SEM. The modifier of the membrane II is located in the pore space in the form of sintered agglomerates. The modifier of the membrane III is represented not only by the same agglomerates, but also envelops the structural elements of the membrane material. The apparent density and open porosity for the unmodified membrane are 1.80 g/cm3 and 44.9 %, for membrane II - 1.67 g/cm3 and 39.9 %, for membrane III - 1.68 g/cm3 and 38.3 %. Testing of modified membranes was carried out by water purification from Ca2 + and Fe3 + using the baromembrane method. The concentration of Ca2 + and Fe3 + in aqueous solutions of CaCl2 and FeCl3 was 100 mg/dm3. The period of time until the establishment of dynamic equilibrium in systems during water purification is (1–3 h). After reaching equilibrium the retention factor (R) of Ca2 + during water purification with membrane II is 30% at a pressure of 0.6 MPa, and at a pressure of 1.1 MPa – 18 %. The specific productivity increases with increasing pressure from 10 to 18 dm3/(m2×h). The R of Ca2 + in water purification with membrane III is 22 % at a pressure of 0.4 MPa, and the specific productivity is 47 dm3/(m2×h). The unmodified membrane does not inhibit Ca2 + at all, and its specific productivity at a working pressure of 0.7 MPa decreases from 755 to 500 dm3/(m2×h) in 2-3 hours. The coefficient of retention of Fe3 + by membrane III after 5 hours at a working pressure of 0.4 MPa is 98 % The specific productivity in this case is 8 dm3/(m2×h). V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2019-07-31 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/57 10.33609/0041-6045.85.6.2019.97-103 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 85 No. 6 (2019): Ukrainian Chemistry Journal; 97-103 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 85 ##issue.no## 6 (2019): Украинский химический журнал; 97-103 Український хімічний журнал; Том 85 № 6 (2019): Український хімічний журнал; 97-103 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/57/34 Copyright (c) 2019 Vladislav Goncharuk, Dmitry Kucheruk, Liubov Dubrovina, Oleksii Vyshnevskyi , Igor Dubrovin, Volodymyr Ogenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Goncharuk, Vladislav Kucheruk, Dmitry Dubrovina, Liubov Vyshnevskyi , Oleksii Dubrovin, Igor Ogenko, Volodymyr MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS |
| title | MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS |
| title_full | MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS |
| title_fullStr | MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS |
| title_full_unstemmed | MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS |
| title_short | MODIFICATION OF TUBULAR CERAMIC MEMBRANES BY PYROCARBON FROM CARBONIZED POLYMERS |
| title_sort | modification of tubular ceramic membranes by pyrocarbon from carbonized polymers |
| topic_facet | ceramic membranes pyrocarbon polyisocyanate milk laprol water purification |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/57 |
| work_keys_str_mv | AT goncharukvladislav modificationoftubularceramicmembranesbypyrocarbonfromcarbonizedpolymers AT kucherukdmitry modificationoftubularceramicmembranesbypyrocarbonfromcarbonizedpolymers AT dubrovinaliubov modificationoftubularceramicmembranesbypyrocarbonfromcarbonizedpolymers AT vyshnevskyioleksii modificationoftubularceramicmembranesbypyrocarbonfromcarbonizedpolymers AT dubrovinigor modificationoftubularceramicmembranesbypyrocarbonfromcarbonizedpolymers AT ogenkovolodymyr modificationoftubularceramicmembranesbypyrocarbonfromcarbonizedpolymers |