Chitosan/MXene/Polymer Hybrid as a new Filter with Enhanced Hydrophobicity and degradation Properties

Technische Zusammenfassung: Chitosan/MXen/Polymer-Hybrid als neuer Filter mit verbesserter Hydrophobizität und Degradationseigenschaften

Problemstellung
Das primäre Ziel dieser Studie ist die Adressierung des Bedarfs an kostengünstige, hochleistungsfähige Filtrationssysteme, die in der Lage sind, den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) in Abwässern zu senken. Während Oberflächenhydrophobizität für Anwendungen wie die Öl-Wasser-Trennung und Selbstreinigung entscheidend ist, sind kommerziell erhältliche hydrophobe Substrate oft teuer. Im Gegensatz dazu sind gängige Substrate wie Cellulose-Filterpapier aufgrund der reichlich vorhandenen Hydroxylgruppen von Natur aus hydrophil, was ihren Nutzen bei hydrophoben Filtrationsprozessen einschränkt. Die Studie zielt darauf ab, kostengünstiges, hydrophiles Cellulose-Filterpapier in einen robusten, hydrophoben Kompositfilter zu transformieren, der sowohl zur physikalischen Filtration als auch zum oxidativen Abbau organischer Schadstoffe fähig ist.

Methodik
Die Forschung wandte eine dreischichtige hierarchische Fabrikationsstrategie an:

1. Substratmodifikation (Hydrophobe Beschichtung):

   • Kommerzielles Cellulose-Filterpapier wurde mittels einer Tauchbeschichtung (Dip-Coating) modifiziert.
   • Eine Lösung aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und Polyvinylidenfluor (PVDF) wurde in einem THF/DMF-Lösungsmittelgemisch vorbereitet.
   • Das Verhältnis der PDMS/PVDF-Gewichtsanteile (2:1, 4:1, 6:1, 8:1) sowie die Immersionszeiten (35, 50, 65, 80 Minuten und 24 Stunden) wurden systematisch variiert, um die Oberflächenhydrophobizität zu optimieren.
   • Nach der Beschichtung wurden die Filter in einem Rückspülverfahren gewaschen, um Restlösungsmittel zu entfernen, und getrocknet.

2. Fabrikation der aktiven Schicht (MXen/Chitosan-Hybrid):

   • Ti₃AlC₂ MAX-Phasen-Pulver wurde mit 7 %iger Flusssäure (HF) für 24 Stunden geätzt, um MXen-Nanoschichten zu erzeugen.
   • Chitosan wurde in einer Essigsäure/Wasser-Lösung gelöst.
   • Die MXen-Nanoschichten wurden mittels Sonikation in Wasser dispergiert und mit der Chitosan-Lösung kombiniert. Die Mischung wurde soniziert und gerührt, um eine stabile, homogene Hybridlösung zu erzeugen.

3. Endgültige Montage:

   • Das optimierte hydrophobe Filterpapier (beschichtet mit PDMS/PVDF) wurde in die Chitosan/MXen-Lösung getaucht, um die aktive Deckschicht abzuscheiden.
   • Das Endprodukt ist ein mehrschichtiger Komposit: ein Cellulose-Träger, eine PDMS/PVDF-Zwischenschicht und eine Chitosan/MXen-Deckschicht.

4. Charakterisierung und Testung:

   • Oberflächeneigenschaften: Wasserkontaktwinkel wurden gemessen, um die Hydrophobizität zu bestimmen.
   • Strukturanalyse: FTIR, XRD, FESEM, EDS-Mapping und UV-Vis-DRS wurden verwendet, um Morphologie, Kristallinität, Elementverteilung und optische Eigenschaften zu analysieren.
   • Leistung: Die CSB-Reduktion wurde unter variierenden pH-Werten (4, 7, 10), Kontaktzeiten (20–120 min) und H₂O₂-Konzentrationen (20–50 ppm) unter Verwendung der Standard-Dichromat-Oxidationsmethode getestet.

Wichtigste Ergebnisse

• Optimierung der Hydrophobizität:

  • Der Kontaktwinkel hing stark vom Polymerverhältnis und der Immersionszeit ab.
  • Ein PDMS/PVDF-Verhältnis von 4:1 lieferte die höchste Hydrophobizität. Insbesondere die Probe, die 65 Minuten im Bad war, erreichte einen maximalen Kontaktwinkel von 120,12° (Probe B3).
  • Niedrigere Verhältnisse (2:1) resultierten in niedrigeren Kontaktwinkeln (<90°), während höhere Verhältnisse (6:1 und 8:1) eine Abnahme der Hydrophobizität zeigten, was auf potenzielle Phasentrennung, Oberflächenglättung oder eine durch überschüssiges PDMS reduzierte Oberflächenrauheit zurückzuführen ist.
  • Immersionszeiten über 65 Minuten führten im Allgemeinen zu einer leichten Abnahme oder Stabilisierung des Kontaktwinkels, was auf eine optimale Beschichtungsdicke und Oberflächentextur hindeutet.

• Strukturelle und morphologische Charakterisierung:

  • FTIR: Bestätigte die Wechselwirkung zwischen MXen und Chitosan durch überlappende O–H/N–H-Banden (~3445 cm⁻¹) und Ti–O/Ti–C-Vibrationen, was auf starke Wasserstoffbrückenbindungen hindeutet.
  • XRD: Der Komposit zeigte eine Verschiebung der MXen-Peaks zu niedrigeren Winkeln und eine reduzierte Intensität, was auf die Interkalation von Chitosanmolekülen zwischen den MXen-Schichten und eine Zunahme des d-Abstands hindeutet.
  • FESEM/EDS: Offenbarte eine raue, hierarchische Oberfläche mit gestapelten MXen-Nanoschichten, die in eine Chitosan-Matrix eingebettet sind. Das EDS-Mapping bestätigte die gleichmäßige Verteilung von Ti, C, O und N sowie eine deutliche mehrschichtige Architektur mit starker Grenzflächenhaftung am Cellulose-Substrat.
  • Optische Eigenschaften: Die DRS-Analyse zeigte, dass der Chitosan/MXen-Komposit über den Wellenlängenbereich im Vergleich zu reinem MXen eine höhere Lichtabsorption aufweist, was auf verbesserte elektronische oder optische Eigenschaften hindeutet.

• CSB-Reduktionsleistung:

  • Der Filter zeigte signifikante CSB-Entfernungsfähigkeiten.
  • Zeitabhängigkeit: Bei pH 4 stieg die CSB-Entfernung von 3,3 % (20 min) auf ~59,8 % (120 min). Bei pH 10 erreichte die Entfernung nach 120 Minuten ~62,5 %.
  • pH-Einfluss: Alkalische Bedingungen (pH 10) zeigten eine etwas höhere Entfernungsrate als saure Bedingungen, was wahrscheinlich auf eine verstärkte Bildung von Hydroxylradikalen zurückzuführen ist.
  • H₂O₂-Einfluss: Bei neutralem pH (7) und 120 Minuten verbesserte die Erhöhung der H₂O₂-Konzentration von 20 auf 50 ppm die CSB-Entfernung signifikant (von 7,5 % auf 43,6 %), was darauf hindeutet, dass das System in diesem Bereich in einem radikalbegrenzten Regime arbeitet.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass die primäre Bedeutung dieser Arbeit in der erfolgreichen Herstellung eines kostengünstigen, hochleistungsfähigen Filtrationssystems unter Verwendung von kommerziell erhältlichem Cellulose-Filterpapier als Substrat liegt. Durch den Verzicht auf teure kommerzielle hydrophobe Membranen bietet die Studie eine skalierbare Strategie für die Abwasserbehandlung.

Die Autoren führen an, dass die mehrschichtige Architektur synergistisch funktioniert:

1. Die PDMS/PVDF-Schicht wandelt das hydrophile Substrat in eine hydrophobe Oberfläche um, wodurch die Wasserpermeation reguliert und die Verweilzeit erhöht wird.
2. Die Chitosan/MXen-Deckschicht fungiert sowohl als Adsorptionsbarriere als auch als photokatalytisches Agens. Die MXen-Nanoschichten erleichtern die Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) für den oxidativen Abbau organischer Schadstoffe, während die Chitosan-Matrix das Wiederverklumpen (Restacking) der Nanoschichten verhindert und die Grenzflächenkompatibilität verbessert.
3. Das System erreicht eine gleichzeitige physikalische Filtration und chemische Degradation, was zu einer effektiven CSB-Reduktion führt, ohne dass komplexe oder teure Materialien erforderlich sind.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Kontrolle der Polymerzusammensetzung und der Immersionszeit entscheidend ist, um die Benetzbarkeit zu steuern, und dass der resultierende Hybridfilter eine praktikable, skalierbare Lösung zur Verbesserung der Filtrationseffizienz in der Abwasserbehandlung darstellt.