Мембрана PMMA/pPFPA с низким содержанием модифицированных наночастиц TiO2 для эффективного удаления фармацевтических препаратов из воды

Почему важно очищать воду от следов лекарств

Следы привычных лекарств, таких как болеутоляющие и препараты для сердца, теперь регулярно обнаруживаются в реках, озёрах и даже в питьевой воде. Стандартные очистные сооружения сточных вод изначально не предназначались для улавливания этих мелких молекул, поэтому многие из них проходят через системы и попадают обратно в наши краны. В этом исследовании рассматривается новый тип полимерного фильтра — мембраны, которая не только удерживает фармацевтические соединения из воды, но и помогает разлагать их до безвредных веществ при облучении ультрафиолетовым (УФ) светом.

Более умная мембрана для стойких загрязнителей

Исследователи стремились создать мембрану, совмещающую три полезные функции в одном материале: пропускать воду, задерживать молекулы лекарств на своей поверхности и разрушать их с помощью света. Они смешали два полимера — PMMA и pPFPA — чтобы сформировать основную матрицу и добавили небольшое количество специально модифицированных наночастиц диоксида титана (TiO2). Диоксид титана хорошо известен как активный при освещении очиститель, но он часто слипается или вымывается из фильтров. Здесь частицы покрыли так, чтобы они образовывали прочные химические связи с полимером, что помогает им оставаться на месте и сохранять эффективность с течением времени.

Настройка внутренней архитектуры мембраны

Чтобы точно управлять тем, как вода и загрязнители проходят через материал, команда изготовила две версии мембраны. Первая (M1) содержала только базовую смесь полимеров и TiO2. Вторая (M2) дополнительно включала два гидрофильных добавки, PEG и PVP, которые действуют как агенты формирования пор в процессе изготовления. Микроскопические изображения показали, что M1 имела относительно крупные, открытые поры, в то время как M2 развила более плотную, губчатую структуру с порами почти на порядок меньшими и гораздо более однородными. Измерения показали, что средний диаметр пор уменьшился примерно на 85%, а поверхность стала более смачиваемой водой, что облегчает её проникновение и протекание через мембрану.

Как новая мембрана ведёт себя в воде

Команда тщательно измерила поверхностный заряд и смачиваемость обеих мембран, поскольку эти свойства контролируют взаимодействие фармацевтических веществ с материалом. В типичном диапазоне значений pH воды обе мембраны несли отрицательный заряд, что склонно отталкивать отрицательно заряженные молекулы лекарств и снижать склонность к долговременным загрязнениям. Мембрана M2, благодаря PEG и PVP, была чуть менее отрицательной, но более гидрофильной, быстрее поглощая воду. Тесты адсорбции газов показали, что под видимой структурой M2 содержит тонкую сеть пор нанометрового масштаба с большей площадью поверхности, чем M1. Это сочетание мелких, хорошо связанных пор и водолюбивой химии обеспечило M2 хорошее соотношение проницаемости для воды и большого числа поверхностных участков, где загрязнители могут захватываться.

Проверка мембраны в действии

Затем исследователи испытали мембрану M2 на смеси трёх распространённых препаратов: диклофенака (обезболивающее), ибупрофена и метопролола (сердечное средство). В проточном режиме, имитирующем реальную фильтрацию, мембрана улавливала менее трети каждого препарата при простом прохождении через поры, что отражает их малый размер по сравнению с отверстиями. Однако в статическом режиме до 70% некоторых фармацевтических веществ адсорбировались на её поверхности. Настоящий прорыв произошёл при включении УФ-освещения: связанные частицы TiO2 генерировали высокореакционноспособные радикалы, которые атаковали молекулы лекарств, разрушая их циклы и в конечном итоге превращая в более мелкие, менее вредные вещества, такие как диоксид углерода и вода.

Очистка светом изнутри

В тестах фотокатализа мембрана обеспечила полное удаление всех трёх фармацевтических соединений примерно за два часа под УФ-освещением, значительно превосходя похожие фильтры из предыдущих исследований. Важно, что лишь очень малая доля диоксида титана — менее 0,05% — была обнаружена покидающей мембрану, что показывает: стратегия химического связывания эффективно фиксирует наночастицы на месте. Эксперименты также позволили разделить вклад просеивания, поверхностной сорбции и разложения под действием света, продемонстрировав, что адсорбция и фотокатализ, а не только отвергание по размеру, являются основными механизмами удаления загрязнителей в этой конструкции.

Что это означает для будущего питьевой воды

В целом исследование представляет собой надёжную, активируемую светом мембрану, способную бороться с фармацевтическим загрязнением с помощью сочетания физического захвата и разрушения на поверхности, даже при очень малом содержании катализатора. Для непрофессионала это означает переход от фильтров, которые просто удерживают загрязнители, к материалам, которые помогают их уничтожать. При масштабировании и подключении к подходящим УФ-источникам такие мембраны могут обеспечить компактные этапы очистки воды, которые эффективно удаляют остаточные лекарства до того, как вода попадёт в наши краны, предлагая перспективный инструмент для более чистой и безопасной питьевой воды.

Цитирование: Pasichnyk, M., Schmitt, C., Plank, M. et al. PMMA/pPFPA membrane with low content of modified TiO₂ nanoparticles for effective retention of pharmaceuticals from water. Sci Rep 16, 10506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45387-3

Ключевые слова: лекарства в воде, фотокаталитические мембраны, наночастицы диоксида титана, передовая очистка воды, полимерные нанокомпозиты