Особливості одержання селективних металоксидних шарів для керамічних мембран золь-гель методом

Автор(и)

  • Людмила Олександрівна Богдан Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0009-0006-5207-7781
  • Христина Ростиславівна Гуцул Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-4760-3605
  • Олена Іванівна Янушевська Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-3457-8965
  • Юрій Миколайович Феденко Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-8599-1717
  • Тетяна Анатоліївна Донцова Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0001-8189-8665

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.345312

Ключові слова:

селективні шари, оксиди металів, спін-покриття, керамічні мембрани, золь-гель метод, водопроникність

Анотація

Об’єктом дослідження є металоксидні шари на основі SiO₂, TiO₂ і ZrO₂ для створення проміжних та селективних шарів на керамічних матрицях. Одним з найбільш проблемних місць є складність одержання рівномірного, щільного та стабільного селективного шару, що визначає експлуатаційні характеристики мембрани – селективність, продуктивність і стійкість до фоулінгу. В ході дослідження були використані золь-гель метод синтезу колоїдних розчинів SiO₂, TiO₂ і ZrO₂ і метод spin-coating для нанесення отриманих суспензій на керамічні матриці. Методом турбідиметрії визначено розміри частинок SiO2, TiO2 і ZrO2, діаметр становив 159 нм, 79 нм й 99 нм, відповідно. Результати ІЧ-спектроскопії свідчать, що нанесення селективного шару на основі TiO2 методом spin-coating дозволяє досягти повного покриття поверхні мембрани, а на основі ZrO2 – неповного покриття з підтвердженням утворення обводненого осаду. Проведені дослідження морфології скануючою електронною мікроскопією вказують на крупнозернисту структуру матриці та більш однорідну середньозернисту структуру після нанесення проміжного шару SiO2. Визначення транспортних властивостей керамічних матриць і мембран визначали за пропускною здатністю за чистою водою, яка свідчить про високу пропускну здатність як матриць, так і мембран. Таким чином, золь-гель метод у поєднанні зі spin-coating має низку особливостей, зокрема контрольований гідроліз прекурсорів і можливість поетапного формування рівномірних шарів, завдяки чому забезпечується можливість одержання мембран із високою водопроникністю (понад 560 см³/хв) і стабільною мікрофільтраційною структурою вже після нанесення 5 шарів. У порівнянні з аналогічними методами, запропонований підхід забезпечує рівномірне покриття, меншу агломерацію частинок і підвищену відтворюваність процесу, що дає змогу створювати мікрофільтрувальні керамічні мембрани для процесів очищення води.

Спонсор дослідження

  • Національний фонд досліджень України для фінансування проєкту «Наукові основи синтезу передових керамічних мембран з використанням технологій 3D-друку» (реєстраційний номер проєкту 2023.03/0178), Міністерство освіти і науки України для фінансування прикладного науково-дослідного проєкту «Хімічно модифіковані мембрани для швидкого виявлення сполук азоту в природних водах як маркерів вибухових речовин» (державний реєстраційний номер 0124U001095).

Біографії авторів

Людмила Олександрівна Богдан, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Аспірант

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Христина Ростиславівна Гуцул, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Доктор філософії, асистент

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Олена Іванівна Янушевська, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Юрій Миколайович Феденко, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Кандидат технічних наук, старший викладач

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Тетяна Анатоліївна Донцова, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Посилання

  1. Serhiienko, A. O., Dontsova, T. A., Yanushevska, O. I., Nahirniak, S. V., Ahmad, H.-B. (2020). Ceramic membranes: new trends and prospects (short review). Water and water purification technologies. Scientific and Technical News, 27 (2), 4–31. https://doi.org/10.20535/2218-93002722020208817
  2. Gao, Y., Hao, W., Xu, G., Wang, C., Gu, X., Zhao, P. (2022). Enhancement of super-hydrophilic/underwater super-oleophobic performance of ceramic membrane with TiO2 nanowire array prepared via low temperature oxidation. Ceramics International, 48 (7), 9426–9433. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.139
  3. Molchan, Y., Bohdan, L., Kyrii, S., Tymoshenko, O., Pylypenko, I., Burmak, A. et al. (2025). Low-cost ceramic membrane supports based on ukrainian kaolin and saponite. Functional Materials, 32 (1), 87–96. https://doi.org/10.15407/fm32.01.87
  4. Yanushevska, O. I., Dontsova, T. A., Aleksyk, A. I., Vlasenko, N. V., Didenko, O. Z., Nypadymka, A. S. (2020). Surface and Structural Properties of Clay Materials Based on Natural Saponite. Clays and Clay Minerals, 68 (5), 465–475. https://doi.org/10.1007/s42860-020-00088-4
  5. Erdem, İ. (2017). Sol-gel applications for ceramic membrane preparation. AIP Conference Proceedings, 1809, 020011. https://doi.org/10.1063/1.4975426
  6. Vovk, O. F., Davydova, M. Y., Yanushevska, O. I., Kyrii, S. O., Linovytska, V. M., Lapinskyi, A. V., Dontsovа, T. A. (2024). Antibacterial properties of ceramic membranes with TiO2 selective layer. Journal of Chemical Technology, 32 (2), 351–362. https://doi.org/10.15421/jchemtech.v32i2.298738
  7. Benrezgua, E., Deghfel, B., Zoukel, A., Basirun, W. J., Amari, R., Boukhari, A. et al. (2022). Synthesis and properties of copper doped zinc oxide thin films by sol-gel, spin coating and dipping: A characterization review. Journal of Molecular Structure, 1267, 133639. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2022.133639
  8. Marzouk, S. S., Naddeo, V., Banat, F., Hasan, S. W. (2021). Preparation of TiO2/SiO2 ceramic membranes via dip coating for the treatment of produced water. Chemosphere, 273, 129684. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.129684
  9. Zeribi, F., Attaf, A., Derbali, A., Saidi, H., Benmebrouk, L., Aida, M. S. et al. (2022). Dependence of the Physical Properties of Titanium Dioxide (TiO2) Thin Films Grown by Sol-Gel (Spin-Coating) Process on Thickness. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 11 (2), 023003. https://doi.org/10.1149/2162-8777/ac5168
  10. Lukong, V. T., Ukoba, K. O., Jen, T. C. (2022). Heat-assisted sol–gel synthesis of tio2 nanoparticles structural, morphological and optical analysis for self-cleaning application. Journal of King Saud University – Science, 34 (1), 101746. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101746
  11. Al Amin, S. M., Kowser, Md. A. (2024). Influence of Ag doping on structural, morphological, and optical characteristics of sol-gel spin-coated TiO2 thin films. Heliyon, 10 (18), e37558. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e37558
  12. Bhandarkar, S. A., Prathvi, Kompa, A., Murari, M. S., Kekuda, D., Mohan, R. K. (2021). Investigation of structural and optical properties of spin coated TiO2:Mn thin films. Optical Materials, 118, 111254. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111254
  13. Prathvi, Bhandarkar, S. A., Kompa, A., Kekuda, D., S, M. M., Telenkov, M. P., Nagaraja, K. K., Mohan Rao, K. (2021). Spectroscopic, structural and morphological properties of spin coated Zn:TiO2 thin films. Surfaces and Interfaces, 23, 100910. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100910
  14. Prasad, A., Singh, F., Dhuliya, V., Purohit, L. P., Ramola, R. C. (2024). Structural and optical characteristics of Cr-doped TiO2 thin films synthesized by sol-gel method. Optical Materials, 151, 115411. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115411
  15. Caligulu, U., Darcan, N., Kejanli, H. (2021). Surface morphology and optical properties of Ca and Mn doped TiO2 nano-structured thin films. Engineering Science and Technology, an International Journal, 24 (6), 1292–1300. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.05.006
  16. Pérez-Jiménez, L. E., Solis-Cortazar, J. C., Rojas-Blanco, L., Perez-Hernandez, G., Martinez, O. S., Palomera, R. C. et al. (2019). Enhancement of optoelectronic properties of TiO2 films containing Pt nanoparticles. Results in Physics, 12, 1680–1685. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.01.046
  17. Baqiah, H., Mustafa Awang Kechik, M., Pasupuleti, J., Zhang, N., Mohammed Al-Hada, N., Fat Chau, C. et al. (2023). Nanostructure, optical, electronic, photoluminescence and magnetic properties of Co-doped ZrO2 sol–gel films. Results in Physics, 55, 107194. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.107194
  18. Mathew Simon, S., George, G., Sajna, M. S., Prakashan, V. P., Anna Jose, T., Vasudevan, P. et al. (2021). Recent advancements in multifunctional applications of sol-gel derived polymer incorporated TiO2-ZrO2 composite coatings: A comprehensive review. Applied Surface Science Advances, 6, 100173. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2021.100173
  19. Ali, M. M., Haque, Md. J., Kabir, M. H., Kaiyum, M. A., Rahman, M. S. (2021). Nano synthesis of ZnO–TiO2 composites by sol-gel method and evaluation of their antibacterial, optical and photocatalytic activities. Results in Materials, 11, 100199. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2021.100199
  20. Chi, N., Wang, Y. (2022). Synthesis and application of CuO-TiO2 hybrid nanostructures as Photocatalytst for degradation of p-nitrophenol in wastewater. International Journal of Electrochemical Science, 17 (10), 221061. https://doi.org/10.20964/2022.10.50
  21. Gutierrez-Sanchez, C. D., Téllez-Jurado, L., Dorantes-Rosales, H. J. (2024). Synthesis of zirconia nanoparticles by sol-gel. Influence of acidity-basicity on the stability transformation, particle, and crystallite size. Ceramics International, 50 (11), 20547–20560. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.03.177
  22. Shishodia, G., Gupta, S., Pahwa, N., Shishodia, P. K. (2024). ZrO2 Nanoparticles Synthesized by the Sol–Gel Method: Dependence of Size on pH and Annealing Temperature. Journal of Electronic Materials, 53 (9), 5159–5168. https://doi.org/10.1007/s11664-024-11185-8
  23. Chen, M., Heijman, S. G. J., Rietveld, L. C. (2021). State-of-the-Art Ceramic Membranes for Oily Wastewater Treatment: Modification and Application. Membranes, 11 (11), 888. https://doi.org/10.3390/membranes11110888
  24. Cai, Y., Wang, Y., Chen, X., Qiu, M., Fan, Y. (2015). Modified colloidal sol–gel process for fabrication of titania nanofiltration membranes with organic additives. Journal of Membrane Science, 476, 432–441. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.11.034
  25. Schiffer, S., Matyssek, A., Hartinger, M., Bolduan, P., Mund, P., Kulozik, U. (2021). Effects of selective layer properties of ceramic multi-channel microfiltration membranes on the milk protein fractionation. Separation and Purification Technology, 259, 118050. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.118050
  26. Molchan, Y., Vorobyova, V., Vasyliev, G., Pylypenko, I., Shtyka, O., Maniecki, T., Dontsova, T. (2024). Physicochemical and antibacterial properties of ceramic membranes based on silicon carbide. Chemical Papers, 78 (16), 8659–8672. https://doi.org/10.1007/s11696-024-03695-w
  27. Fedenko, Y. M., Dontsova, Т. А., Astrelin, I. M. (2012). Turbidymetrychnyi metod otsinky rozmiriv nanochastynok u “bilykh zoliakh” ZrO2. Scientific news of NTUU “KPI”, 1, 155–158. Available at: https://ela.kpi.ua/server/api/core/bitstreams/769d2666-ee3f-478d-9aa1-ba83db3a4453/content
  28. Kurylenko, V. S., Tereshkov, M. V., Fedenko, Yu. M., Lapinskyi, A. V., Yanushevska, O. I., Dontsova, T. A. (2025). Prospects of using DLP 3D printing technology to produce membrane ceramic modules. Journal of Chemical Technology, 33 (2), 508–518. https://doi.org/10.15421/jchemtech.v33i2.317663
  29. Dixit, C. K., Bhakta, S., Kumar, A., Suib, S. L., Rusling, J. F. (2016). Fast nucleation for silica nanoparticle synthesis using a sol-gel method. Nanoscale, 8 (47), 19662–19667. https://doi.org/10.1039/c6nr07568a
  30. Chang, C., Rad, S., Gan, L., Li, Z., Dai, J., Shahab, A. (2023). Review of the sol–gel method in preparing nano TiO2 for advanced oxidation process. Nanotechnology Reviews, 12 (1). https://doi.org/10.1515/ntrev-2023-0150
  31. Takada, T. (2020). Removal of F- from Water Using Templated Mesoporous Carbon Modified with Hydrated Zirconium Oxide. C – Journal of Carbon Research, 6 (1), 13. https://doi.org/10.3390/c6010013
  32. Pylypenko, M. M., Yanko, T. B., Stadnik, Y. S., Drobyshevska, A. O. (2019). Processing substandard materials of magnesium-thermal zirconium production. Problems of Atomic Science and Technology, 5, 135–141. Available at: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/195204
  33. Omar, M. F., Ismail, Abd. K., Sumpono, I., Alim, E. A., Nawi, M. N., Rahim Mukri, M. ‘A. (2012). FTIR Spectroscopy Characterization of Si-C bonding in SiC Thin Film prepared at Room Temperature by Conventional 13.56MHz RF PECVD. Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences, 8 (4), 242–244. https://doi.org/10.11113/mjfas.v8n4.156
  34. Zakirov, M., Korotchenkov, O., Rybak, Ya. (2016). Photoluminescence of ZnS Luminophore Sonofragmentated in Isopropyl Alcohol Solution. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (4 (1)). https://doi.org/10.21272/jnep.8(4(1)).04002
  35. Al-Amin, M., Dey, S. C., Rashid, T. U., Ashaduzzaman, M., Shamsuddin, S. M. (2016). Solar assisted photocatalytic degradation of reactive azo dyes in presence of anatase titanium dioxide. International Journal of Latest Research in Engineering and Technology, 2 (3), 14–21. Available at: https://www.researchgate.net/publication/299441386_Solar_Assisted_Photocatalytic_Degradation_of_Reactive_Azo_Dyes_in_Presence_of_Anatase_Titanium_Dioxide
  36. Chougala, L. S., Yatnatti, M. S., Linganagoudar, R. K., Kamble, R. R., Kadadevarmath, J. S. (2017). A Simple Approach on Synthesis of TiO2 Nanoparticles and its Application in dye Sensitized Solar Cells. Journal of Nano- and Electronic Physics, 9 (4). https://doi.org/10.21272/jnep.9(4).04005
  37. Ramachandran, M., Subadevi, R., Rajkumar, P., Muthupradeepa, R., Yuvakkumar, R., Sivakumar, M. (2021). Upshot of Concentration of Zirconium (IV) Oxynitrate Hexa Hydrate on Preparation and Analyses of Zirconium Oxide (ZrO2) Nanoparticles by Modified Co-Precipitation Method. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 21 (11), 5707–5713. https://doi.org/10.1166/jnn.2021.19488
Features of obtaining selective metal oxide layers for ceramic membranes via sol-gel method

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-29

Як цитувати

Богдан, Л. О., Гуцул, Х. Р., Янушевська, О. І., Феденко, Ю. М., & Донцова, Т. А. (2025). Особливості одержання селективних металоксидних шарів для керамічних мембран золь-гель методом. Technology Audit and Production Reserves, 6(3(86), 12–20. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.345312

Номер

Том 6 № 3(86) (2025): Хімічна інженерія

Розділ

Хіміко-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Liudmyla Bohdan, Khrystyna Hutsul, Olena Yanushevska, Yurii Fedenko, Tetiana Dontsova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.