Investigation of Low-Pressure Membrane-Based Separation and Advanced Oxidation Treatment of Contaminants of Emerging Concern

Abstract

The growing occurrence of contaminants of emerging concern (CECs) in water bodies, coupled with the insufficient removal efficiency of conventional wastewater treatment plants (WWTPs), has become a major global environmental issue. There is an urgent need for effective monitoring strategies, regulatory frameworks, and advanced treatment technologies to address these contaminants. This study investigates low-pressure membrane-based separation and advanced oxidation treatment of CECs, focusing on aspirin, carbamazepine, sulfamethoxazole, and methylene blue. These contaminants were selected due to their persistence, occurrence in surface waters, and potential risks to living organisms, particularly in Kazakhstan. Three-dimensional (3D) printed ceramic membranes were developed for the treatment of target pollutants using low-cost and environmentally friendly materials, including kaolin, powdered rice husk, and water. The combination of rice husk powder and kaolin represents a sustainable approach to ceramic membrane fabrication. Rice husk, an abundant agricultural waste, provides silica and can be converted into valuable ceramic material, reducing waste disposal and supporting circular economy principles. Kaolin is an inexpensive and widely available clay mineral with excellent thermal stability and mechanical strength, making it suitable for membrane fabrication. The developed membranes were sintered at temperatures ranging from 900 °C to 1700 °C in 100 °C increments and subjected to comprehensive physicochemical characterization. Contact angle and zeta potential measurements were performed to evaluate membrane hydrophobicity/hydrophilicity and surface charge. Scanning electron microscopy (SEM) was used to investigate surface and internal morphology, while mercury intrusion porosimetry determined porosity and pore size distribution. X-ray fluorescence (XRF) analysis was conducted to determine elemental composition, and mechanical strength was evaluated using a universal tension machine. Based on the characterization results, membranes sintered at 1500 °C and 1200 °C were identified as optimal and selected for further investigation of CEC removal. The findings demonstrate the potential of 3D-printed ceramic membranes based on locally available, low-cost materials as sustainable technologies for advanced water treatment.

Жоғары алаңдаушылық тудыратын ластаушы заттардың (CECs) су айдындарында кеңінен таралуы және дәстүрлі ағынды суларды тазарту құрылыстарының оларды жою тиімділігінің жеткіліксіздігі қазіргі таңдағы жаһандық экологиялық мәселелердің бірі болып табылады. CECs әсерін азайту үшін тиімді мониторинг стратегияларын, нормативтік базаны және озық тазарту технологияларын әзірлеу қажет. Бұл зерттеуде CECs-ті төмен қысымды мембраналық бөлу және озық тотығу процестері арқылы тазартуға кешенді зерттеу жүргізілді. Нысаналы ластаушы заттар ретінде аспирин, карбамазепин, сульфаметоксазол және метилен көгі таңдалды. Олар тұрақты сипатымен, сондай-ақ фармацевтикалық заттардың Қазақстанның жерүсті суларында кездесуі және тірі организмдерге қауіп төндіруі мүмкін болғандықтан таңдалды. Нысаналы ластаушы заттарды тазарту үшін 3D-басып шығару әдісімен керамикалық мембраналар дайындалды. Мембраналарды өндіруде каолин, ұнтақталған күріш қауызы және су сияқты арзан әрі экологиялық таза материалдар қолданылды. Күріш қауызы кремний диоксидінің көзі болып табылатын ауыл шаруашылығы қалдығы ретінде қалдықтарды азайтуға және айналмалы экономика қағидаттарын қолдауға мүмкіндік береді. Каолин кең таралған, арзан, жоғары термиялық тұрақтылық пен механикалық беріктікке ие табиғи сазды минерал ретінде мембрана өндіруге қолайлы материал болып табылады. Дайындалған мембраналар 900 °C-тан 1700 °C-қа дейінгі температурада әрбір 100 °C қадаммен күйдірілді. Олардың физика-химиялық қасиеттері жанасу бұрышы, дзета-потенциал, сканерлеуші электрондық микроскопия (СЭМ), сынаппен интрузиялық порозиметрия және рентгенофлуоресценттік талдау арқылы зерттелді. Механикалық беріктік H25KS әмбебап созу машинасымен өлшенді. Нәтижелер негізінде 1500 °C және 1200 °C температурада күйдірілген мембраналар оңтайлы деп танылып, CECs жою бойынша әрі қарайғы зерттеулерге таңдалды. Зерттеу нәтижелері 3D-басып шығарылған керамикалық мембраналардың су тазартуға арналған тұрақты және тиімді технология ретінде әлеуетін көрсетеді. Бұл тәсіл қолжетімді шикізатты пайдалануға негізделгендіктен, дәстүрлі керамикалық прекурсорларға балама ұсынады. Күріш қауызының қолданылуы қалдықтарды қайта пайдалануға және мембраналардың экологиялық ізін азайтуға ықпал етеді. Зерттеу барысында мембраналардың құрылымы, беткі қасиеттері, кеуектілігі, элементтік құрамы және механикалық беріктігі күйдіру температурасына байланысты бағаланды. Алынған сипаттамалар мембраналардың CECs жою тиімділігіне әсер ететін қасиеттерді анықтауға мүмкіндік берді. Осылайша, әзірленген материалдар су сапасын жақсарту және ластаушы заттардың қоршаған ортаға түсуін азайту үшін тиімді технологиялық шешім ретінде қарастырылады.