改質セラミック膜: 色素除去と抗菌特性

セラミック膜は、その強力な化学的/熱的安定性、防汚特性、および長寿命により、廃水処理において大きな注目を集めています。しかし、従来のセラミック膜は製造コストと焼結温度が高いという問題がありました。さらに、従来の製品は物理的ふるい分けや表面吸着などの受動的な除去メカニズムのみに依存しており、触媒による分解や固有の抗菌機能が欠けています。そのため、複雑な廃水環境では膜の汚れや効率の低下が起こりやすくなります。同時に、産業廃水中のクリスタルバイオレットなどのトリフェニルメタン染料は化学的に安定しており、生分解が難しく、発がん性があり、生態系と人間の健康に重大な脅威をもたらします。水域内の病原性微生物は生物付着を容易に引き起こし、膜システムの動作をさらに制限します。したがって、低コスト、高い汚染物質除去率、抗菌特性を兼ね備えた多機能セラミック膜の開発が研究の焦点となっています。

この研究では、火力発電所からの飛灰と天然砂を主原料として使用しています。フライアッシュは熱処理と酢酸浸出によって前処理され、未燃焼の炭素と揮発性成分が除去され、セラミック成形要件を満たすためにシリコン-と-の比率が最適化されます。 Ag-ドープZnO（Ag-ZnO）ナノ複合材料は、南アフリカ原産の植物Searsia lanceaの葉抽出物を還元剤および安定剤として使用し、グリーンな方法で合成されました。機能活性層と支持層からなる二層非対称セラミック膜は、湿式圧縮-と 1000 度での共焼結-によって調製されました。活性層中の Ag-ZnO の装填量はそれぞれ 0.25 g、0.50 g、および 0.75 g であり、対応するサンプルには FCM@0.25、FCM@0.50、および FCM@0.75 とラベルが付けられました。未修飾のサンプルには PCM とラベルが付けられました。

XRD、FTIR、SEM-EDS、TGA による特性評価により、Ag が ZnO の六方晶系ウルツ鉱構造にうまくドープされ、ナノ粒子が膜表面に均一に分布していることが確認されました。修飾後、膜の平均細孔径は元の大きなサイズから0.03μmに減少し、気孔率は31.4%で、純水流束は42.13L/(m2・h)に達しました。 Ag-ZnOの添加量の増加に伴って機械的強度は4.68MPaから6.88MPaに増加し、酸性(pH=2)環境とアルカリ性(pH=13)環境の両方で重量損失は0.3%未満であり、優れた化学的安定性を示しました。ゼロ電荷点 (pHpzc) は 6.3 で、中性からわずかにアルカリ性の条件下では表面は負電荷を帯びており、これはカチオン染料の吸着に有利です。

染料除去性能: pH=8、初期クリスタルバイオレット濃度 10 ppm の条件下で、FCM@0.50 膜は最初の 20 分間で 95%、100 分間で 89% の除去率を達成しました。これは、元の膜のそれぞれ 78% と 46% よりも大幅に高くなります。除去メカニズムは次のとおりです。アルカリ条件下では、膜表面のマイナス電荷とカチオン性クリスタルバイオレットにより静電引力が発生します。同時に、ナノ粒子が細孔を満たし、表面吸着とサイズ排除の相乗効果と相まって、細孔サイズが減少し、膜の曲がりが増加します。メンブレンは 5 回リサイクルでき、5 回目のサイクル後でも 86% の除去率を維持します。再生は 450 度で焼成することで実現できます。ただし、負荷が増加するとフラックスが減少するため、除去効率とフラックスのバランスが必要になります。 FCM@0.50 が最適なサンプルです。

抗菌性能: 抗菌活性は、腸チフス菌をモデル細菌として ISO 22196 標準法を使用して評価されました。結果は、抗菌効果とAg-ZnOの添加量の間に正の相関があることを示しました。Ag+放出とZnO光触媒の相乗効果により、FCM@0.25、FCM@0.50、およびFCM@0.75の細菌不活化率はそれぞれ75%、89%、92%に達しました。これは、細菌の細胞膜と代謝プロセスを破壊し、膜の生物付着を効果的に阻害します。

この研究により、飛灰や天然砂などの固形廃棄物の資源利用が実現しました。グリーン合成プロセスにより、ナノマテリアル調製にかかる環境コストが削減されました。開発された二層膜は、単一機能による従来のセラミック膜の限界を克服し、効率的な色素除去と抗菌・防汚特性を同時に達成し、持続可能な開発目標に沿っています。活性層の厚さを最適化し、ナノ粒子の分布を制御し、階層的細孔構造を構築してフラックスをさらに高めることで、さらなる改善が可能です。実際の廃水を連続流して検証することで産業利用を促進します。

この研究は、低コストで多機能のセラミック膜を設計するための再現可能な技術的枠組みを提供し、染色や印刷の廃水処理や分散型飲料水浄化などの分野での幅広い応用が期待されています。{0}