Исследование фототрансформации бисфенола А в воде в присутствии материалов на основе ультратонких полипропиленовых волокон | Известия вузов. Физика. 2021. № 11. DOI: 10.17223/00213411/64/11/78

Исследование фототрансформации бисфенола А в воде в присутствии материалов на основе ультратонких полипропиленовых волокон

Исследовано влияние УФ-излучения на эффективность фототрансформации бисфенола А (ВРА) в воде в присутствии полипропиленовых материалов на основе ультратонких волокон. Получены спектры поглощения и флуоресценции исследуемого вещества с образцами волокон различных свойств. После возбуждения излучением KrCl-эксилампы основной фотопродукт BPA флуоресцирует в области с максимумом около ~ 408 нм. Накопление этого фотопродукта происходит от 0 до 10 мин облучения, затем фотопродукт разрушается. Спектры поглощения и флуоресценции циклогексана, содержащего десорбированные соединения с поверхности волокон, указывают на адсорбцию фотопродукта на его поверхности в процессе УФ-облучения.

Research of the phototransformation of bisphenol A in the presence of materials based on ultrafine polypropylene fibers.pdf Введение Бисфенол А (BPA) широко используется в качестве недорогого отвердителя при получении и утилизации пластмасс. Практически 95% упаковочных материалов (особенно пластиковые бутылки и посуда) содержат ВРА [1]. Основной путь попадания и накопления BPA в организме человека - это пищевые продукты, которые неправильно хранятся в упаковках [2]. Опасность для человека заключается в том, что BPA проявляет эндокринное разрушающее действие, вызывает нарушения метаболизма и мозговой деятельности [3, 4]. В связи с большим оборотом промышленности BPA огромное его количество выбрасывается в стоки химических предприятий, из-за чего загрязнитель распространяется в водах рек и озер. Исследования показали, что обычные отстойники не удаляют растворенный ВРА из сточных вод [5] и не предотвращают его миграцию в окружающую среду [6]. В современном мире тема очистки воды является актуальной, поэтому очень важно разработать технологии обработки природных и сточных вод, позволяющие очистить их от этого загрязнителя. Некоторые исследования, проведенные до настоящего времени [7, 8], показали, что ВРА может разлагаться через аэробные микробные процессы [9] с сообщенным периодом полураспада от нескольких дней до десятков недель, что может объяснить относительно низкую эффективность удаления ВРА в естественной среде. Кроме технологий, основанных на использовании комплекса биологических методов, разрабатываются также технологии с использованием физико-химиче¬ских методов, большинство из них включают предобработку с помощью УФ-излучения [10, 11]. Другим не менее значимым способом очистки воды является использование различных фильтрующих материалов, обладающих сорбционными свойствами [12-14]. Многие исследования показали, что волокнистые материалы на основе полипропилена могут достаточно эффективно использоваться в качестве фильтрующих материалов для удаления дисперсных загрязнителей в газовых и жидких средах, а также обладают высокой сорбционной способностью к нефтепродуктам в воде [15]. Согласно результатам исследования [16], фильтрующие материалы на основе полипропилена могут эффективно использоваться для очистки сточных вод от водорастворимых красителей. Еще одно исследование показало, что комплекс, сочетающий в себе использование полипропиленового волокнистого материала и действие УФ-излучения, является достаточно эффективным способом удаления органических примесей, содержащих фенол и его фотопродукты. Для обработки жидких сред наилучшим образом подходят материалы, содержащие ультратонкие, имеющие размер от нескольких микрометров до их десятых долей, волокна. Волокнистые структуры на основе полипропилена, формируемые в результате пневматического распыления расплава, представляют собой полидисперсные ультратонкие нетканые материалы, содержащие волокна диаметром от сотен нанометров до нескольких микрометров. При этом крупные волокна выполняют роль «несущего каркаса», обеспечивая механическую прочность, а тонкие - определяют величину удельной площади поверхности, характеризующую способность материала к взаимодействию со средой. Дальнейшая разработка и усовершенствование таких технологий поможет решить проблему очистки загрязненных вод от органических примесей. Ранние исследования фотолиза ВРА под действием солнечного света методами компьютерного моделирования [17] показали, что эффективность фотопревращений достаточно низкая. Поэтому была предпринята попытка увеличить эффективность фототрансформации ВРА под действием УФ-излучения. Цель данного исследования - изучение эффективности фотодеградации BPA в воде в присутствии полипропиленовых материалов на основе ультратонких волокон (ППМ) под действием УФ-излучения. Экспериментальная часть В качестве растворителя использовали дистиллированную воду. Для получения водного раствора с начальной концентрацией С = 10-3 моль/л потребовалось 45 мг сухой навески BPA. Для улучшения растворимости ВРА раствор был помещен в ультразвуковую мешалку и нагрет до 40 С. Исследуемый раствор для фотодеградации был приготовлен из матричного при концентрации С = 2.2∙10-4 моль/л методом разбавления. Готовые растворы BPA объемом 50 мл облучали в стеклянных стаканах диаметром 4.6 см в присутствии ППМ весом 0.05 г. Облучение происходило при комнатной температуре в фотореакторе (рис. 1). Рис. 1. Схема стационарного фотореактора: 1 - KrCl-эксилампа; 2 - окно излучения; 3 - облучаемый раствор; 4 - металлические решетки; 5 - волокно; 6 - магнитная мешалка; 7 - штатив В качестве источника УФ-облучения была использована KrCl-эксилампа с длиной волны λ = 222 нм. На дно стакана помещали кольцо, на котором держались металлические сетки, между которыми находилось ППМ. Расстояние от эксилампы до облучаемого раствора составляло 4 см, полное время облучения - 60 мин. За время облучения максимальная энергия, поглощенная исследуемым раствором, не превышала 10 Дж/см3. В определенные интервалы времени (0, 1, 5, 10, 20, 30, 40 и 60 мин) брали пробы и регистрировали спектры поглощения и флуоресценции на спектрофлуориметре СМ2203 (ЗАО «SOLAR», Беларусь). В качестве исходных материалов для аэродинамического формирования ультратонких волокон использовали полипропилен марки PP H270 GP/1 («Сибур», Россия). Характеристики образцов ППМ для исследования их сорбционных свойств представлены в табл. 1. Таблица 1 Статистические характеристики распределения размеров волокон из полипропилена № 410 425 325 240 440 225 310 340 210 dср, мкм 1.4 1.82 2.02 2.05 2.4 2.54 2.66 2.68 3.88 Kв, % 84 88 76 67 76 51 67 40 110 Примечание: № - кодовое обозначение образца; dср - средняя величина логарифмически нормального распределения диаметров формируемых волокон; Kв - коэффициент вариации. Чтобы провести анализ сорбционных свойств образцов ППМ, их извлекали из облученных растворов, высушивали 40 мин в духовом шкафу при 70 °С и помещали в 5 мл циклогексана, затем регистрировали спектры поглощения и флуоресценции. Результаты и их обсуждение Ранее было проведено изучение фототрансформации ВРА в воде под действием УФ-излу¬чения KrCl- и XeBr-эксиламп [18, 19]. Из кривых конверсии, построенных с помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), установлено, что константа скорости убыли ВРА в воде под действием излучения KrCl-эксилампы выше, чем после облучения XeBr-эксилампой. При этом убыль ВРА в воде после облучения составляла всего 60% после 120 мин воздействия KrCl-эксилампой. Данные ВЭЖХ конечного, облученного KrCl-эксилампой в течение 120 мин, водного раствора показали, что в нем содержатся кроме ВРА еще и продукты фототрансформации. По данным флуоресцентной спектроскопии было установлено, что даже после 120 мин в растворе ВРА остаются флуоресцирующие фотопродукты. Под действием излучения KrCl-эсилампы происходит накопление фотопродукта, флуоресцирующего в области с максимумом 410-420 нм, и распад от 1 до 30 мин, а затем идет образование второго фотопродукта. Максимальная интенсивность флуоресценции продуктов трансформации ВРА зафиксирована после 2 и 40 мин облучения KrCl-эксилампой. Интенсивности поглощения ВРА в зависимости от времени облучения в присутствии образцов ППМ приведены в табл. 2. Анализ спектров поглощения исследуемых растворов показал, что в присутствии образца ППМ № 310 еще без облучения происходит активное удаление ВРА из раствора (табл. 2, строка 1). Это указывает на то, что некоторое количество ВРА адсорбируется из водного раствора. Самое активное накопление фотопродуктов ВРА зафиксировано в присутствии образцов ППМ № 210 и 410 (табл. 2, строка 8). В процессе УФ-облучения наименьшее образование фотопродуктов зарегистрировано в присутствии образца ППМ № 310 (табл. 2, строка 8). Таблица 2 Интенсивность полосы поглощения ВРА в области 270 нм в присутствии ППМ № Время УФ-облучения, мин Без ППМ № ППМ 210 225 240 310 325 340 410 425 440 Dmax, отн. ед. 1 0 0.63 0.63 0.61 0.63 0.57 0.62 0.61 0.63 0.62 0.63 2 1 0.63 0.63 0.63 0.63 0.58 0.65 0.62 0.69 0.60 0.65 3 5 0.64 0.67 0.64 0.64 0.59 0.69 0.60 0.70 0.64 0.68 4 10 0.65 0.70 0.67 0.65 0.63 0.69 0.63 0.73 0.70 0.69 5 20 0.66 0.73 0.67 0.67 0.62 0.72 0.70 0.74 0.67 0.69 6 30 0.67 0.74 0.70 0.69 0.64 0.75 0.67 0.75 0.69 0.73 7 40 0.68 0.75 0.71 0.70 0.68 0.76 0.66 0.78 0.71 0.75 8 60 0.69 0.83 0.73 0.75 0.65 0.79 0.71 0.83 0.76 0.78 В области 240-260 и 300 нм происходит увеличение интенсивности поглощения BPA после облучения, что говорит об образовании фотопродуктов BPA. В процессе облучения исследуемого раствора KrCl-эксилампой в присутствии образцов ППМ происходит деградация BPA с образованием фотопродукта, который флуоресцирует в области с максимумом около ~ 408 нм (рис. 2, а). Рис. 2. Диаграмма изменения интенсивности флуоресценции BPA в области 408 нм от времени облучения в стационарном фотореакторе под действием излучения KrCl-эксилампы в присутствии образцов ППМ (а) и без ППМ (б) В процессе облучения растворов BPA с ППМ происходит эффективная фотодеградация исходного токсиканта и образование различных фотопродуктов. Об этом свидетельствует увеличение интенсивности флуоресценции в спектрах BPA при увеличении времени облучения от 0 до 10 мин (рис. 2). Наибольшая интенсивность флуоресценции фотопродукта BPA после 10 мин облучения наблюдалась в присутствии образца № 440 (рис. 2, а). Стоит заметить, что меняется время накопления фотопродукта в растворе. Если без ППМ максимальное значение интенсивности флуоресценции наблюдалось после 2 мин облучения (рис. 2, б), то в присутствии ППМ накопление фотопродукта ВРА происходит до 10 мин, а потом фотопродукт начинает активно распадаться (рис. 2, а). Однако в проведенном эксперименте мы не достигли интенсивности флуоресценции фотопродукта в присутствии ППМ по сравнению с экспериментом без волокна (рис. 2). Одной из причин этого может служить то, что идет активная адсорбция ВРА и его фотопродукта на поверхности ППМ, и поэтому интенсивность флуоресценции примерно в 2 раза ниже, чем без ППМ. После увеличения времени облучения с 10 до 60 мин ВРА в воде в присутствии всех образцов ППМ регистрировалось уменьшение интенсивности полосы испускания в спектрах флуоресценции. Из этого следует, что в процессе облучения происходит фотодеградация продукта BPA. Зафиксировано, что интенсивность флуоресценции ВРА после облучения в присутствии образца ППМ № 325 ниже, чем для других образцов (рис. 2, а). Это может быть связано с тем, что идет дельнейшая адсорбция ВРА и фотопродукта на поверхности ППМ под действием УФ-излучения. Чтобы сравнить сорбционные свойства образцов ППМ, были получены спектры поглощения и флуоресценции смывов с поверхности волокон. На рис. 3 приведены спектры поглощения десорбированных соединений в циклогексане. Анализ полученных данных указывает на то, что в полученных спектрах поглощения (рис. 3) максимальные значения оптической плотности наблюдаются для образцов № 210 и 225. Это может указывать на то, что данные образцы обладают большей сорбционной способностью по сравнению с другими образцами. В спектре поглощения BPA в циклогексане зафиксированы две полосы в области 230 и 280 нм. В спектрах флуоресценциии (рис. 4) можно заметить характерную для полиароматических соединений форму спектра у образца № 425 в области 450-500 нм. В области 325 нм (рис. 4) наибольшая интенсивность люминесценции у образца № 210. В этой области могут флуоресцировать BPA и фотопродукты, которые адсорбировались на поверхности этого волокна. Рис. 3. Спектры поглощения десорбированных соединений с поверхности образцов ППМ в циклогексане после облучения водного раствора BPA KrCl-эксилампой: 1 - 210; 2 - 410; 3 - 225; 4 - 325; 5 - 425; 6 - 240; 7 - 340; 8 - 440 Рис. 4. Спектры флуоресценции десорбированных соединений с поверхности образцов ППМ в циклогексане после облучения водного раствора BPA KrCl-экси¬лампой: 1 - 210; 2 - 410; 3 - 225; 4 - 325; 5 - 425; 6 - 240; 7 - 340; 8 - 440. Длина волны возбуждения флуоресценции λ = 270 нм Заключение В результате проделанной работы были зарегистрированы спектры флуоресценции и поглощения BPA в воде в присутствии образцов ППМ до и после облучения эксилампой. Зарегистрированы спектры поглощения и флуоресценции циклогексана, содержащего смывы органических соединений с поверхности ППМ. Проведен сравнительный анализ сорбционной способности образцов ППМ. На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что время накопления фотопродукта BPA в присутствии образцов ППМ увеличилось в 5 раз по сравнению с экспериментом без ППМ [20]. Образец ППМ № 425 вносит дополнительное загрязнение в исследуемые растворы. Образцы № 210 и 225 со средним диаметром волокон 3.88 и 2.54 мкм соответственно обладают наилучшей сорбционной способностью по отношению к BPA и его фотопродуктам.

Ключевые слова

бисфенол А, BPA, фототрансформация, спектрально-люминесцентные свойства, фотореактор, полипропиленовые ультратонкие волокна

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Чайковская Ольга НиколаевнаНациональный исследовательский Томский государственный университетд.ф.-м.н., профессор кафедры оптики и спектроскопии, зав. лабораторией фотофизики и фотохимии молекул НИ ТГУtchon@phys.tsu.ru
Бочарникова Елена НиколаевнаНациональный исследовательский Томский государственный университетинженер-исследователь лаборатории фотофизики и фотохимии молекул НИ ТГУbocharnikova.2010@mail.ru
Безлепкина Надежда ПавловнаНациональный исследовательский Томский государственный университетлаборантка лаборатории фотофизики и фотохимии молекул НИ ТГУnadezhda.bezlepkina174833@mail.ru
Лысак Илья АлександровичНациональный исследовательский Томский государственный университетк.т.н., доцент, ст. науч. сотр. лаборатории оптических материалов и покрытий СФТИ ТГУlysak_ia@mail.ru
Малиновская Татьяна ДмитриевнаНациональный исследовательский Томский государственный университетд.х.н., профессор, зав. лабораторией оптических материалов и покрытий СФТИ ТГУmalino@sibmail.com
Лысак Галина ВладиленовнаНациональный исследовательский Томский государственный университетк.х.н., инженер лаборатории оптических материалов и покрытий СФТИ ТГУh-0-h@yandex.ru
Всего: 6

Ссылки

Yamazaki E., Yamashita N., Taniyasu S., et al. // Ecotoxicology and Environmental Safety. - 2015. - V. 122. - P. 565-572.
Ballesteros-Gómez A., Rubio S., Pérez-Bendito D. // J. Chromatography A. - 2009 - V. 1216. - No. 3. - P. 449-469.
Mezcua M., Ferrer I., Hernando M.D., Fernandez-Alba A.R. // Food Additives and Contaminants. - 2011 - V. 23. - No. 11. - P. 1242-1251.
Rivas F.J., Encinas A., Acedo B., Beltrán F.J. // J. Chem. Technol. Biotechnol. - 2008 - V. 84. - No. 4. - P. 589-594.
Chen P.J., Linden K.G., Hinton D.E., et al. // Chemosphere. - 2006 - V. 65. - No. 7. - P. 1094-1102.
Torres R.A., Abdelmalek F., Combet E., et al. // J. Hazardous Materials. - 2007 - V. 146. - No. 3. - P. 546-551.
Ike M., Jin C.S., Fujita M. // Water Sci. Technol. - 2000 - V. 42. - No. 7-8. - P. 31-38.
Klecka G.M., Gonsior S.J., West R.J., et al. // Environmental Toxicology and Chemistry. - 2001 - V. 20. - No. 12. - P. 2725-2735.
Kang J.H., Kondo F. // Chemosphere. - 2001 - V. 49. - No. 5. - P. 493-498.
da Silva J.C.C., Reis Teodoro J.A., Afonso R.J. de C.F., et al. // Rapid Communications in Mass Spectrometry. - 2014 - V. 28. - No. 9. - P. 987-994.
Ohko Y., Ando I., Niwa C., et al. // Environmental Science and Technology - 2001 - V. 35. - No. 11. - 2365-2368.
Некрасова А.А., Привалов Д.М., Двадненко М.В., Привалова Н.М. // Научный журнал КубГАУ. - 2017. - № 125(01). - С. 1-10.
Привалова Н.М., Двадненко М.В., Некрасова А.А. и др. // Научный журнал КубГАУ. - 2015. - № 113.
Базунова М.В., Хлобыстова Е.С., Фахретдинов Р.К. и др. // Вестник Казанского технологического университета. - 2017. - Т. 20. - № 18. - С. 5-8.
Бордунов В.В., Бордунов С.В., Леоненко В.В. // Экология и промышленность России. - 2005. - № 8. - С. 8-11.
Третьякова А.Е., Черногорцев Е.А., Сафанов В.В. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2016. - № 2. - С. 127-132.
Bocharnikova E.N., Tchaikovskaya O.N., Bazyl O.K., et al. // Adv. Quantum Chem. - 2019 - V. 81. - P. 191-217.
Lysak G.V., Lysak I.A., Malinovskaya T.D., Volokitin G.G. // Inorg. Mater. - 2010 - V. 46. - P. 183-186.
Bocharnikova E.N., Tchaikovskaya O.N., Chaidonova V.S., et al. // IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering. - 2019. - V. 696. - P. 012006-1-012006-9.
Tchaikovskaya O.N., Bocharnikova E.N., Lysak I.A., et al. // Micro and Nanosystems. - 2020. - V. 12. - No. 3. - P. 345-357.
 Исследование фототрансформации бисфенола А в воде в присутствии материалов на основе ультратонких полипропиленовых волокон | Известия вузов. Физика. 2021. № 11. DOI: 10.17223/00213411/64/11/78

Исследование фототрансформации бисфенола А в воде в присутствии материалов на основе ультратонких полипропиленовых волокон | Известия вузов. Физика. 2021. № 11. DOI: 10.17223/00213411/64/11/78