Photocatalytic GO - TiO₂ - Incorporated TFN Nanofiltration Membranes for Antibiotic Removal from Wastewater

Resumen Técnico: Membranas de Nanofiltración TFN con Incorporación de GO-TiO₂ Fotocatalítico para la Eliminación de Antibióticos

Planteamiento del Problema
La rápida proliferación de contaminantes emergentes, particularmente antibióticos como la amoxicilina y la ciprofloxacina, plantea graves amenazas ambientales y de salud debido a su persistencia y toxicidad. Los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales suelen ser inadecuados para eliminar estos compuestos de bajo peso molecular. Si bien las membranas de Nanofiltración (NF) ofrecen una alternativa prometedora para la eliminación de microcontaminantes, enfrentan limitaciones como una baja eficiencia de rechazo para antibióticos pequeños y susceptibilidad al ensuciamiento por materia orgánica natural y biopelículas. Además, las membranas de NF tradicionales carecen de la capacidad de degradar contaminantes, limitándose a transferirlos a la corriente de concentrado. Existe una necesidad crítica de membranas que combinen una separación de alta eficiencia con la capacidad de degradar contaminantes in situ.

Metodología
Este estudio tuvo como objetivo desarrollar y optimizar una nueva membrana de nanofiltración de Nanocompuesto de Película Delgada (TFN) incorporando Óxido de Grafeno (GO) y Dióxido de Titanio (TiO₂) en la capa selectiva de poliamida. La investigación empleó un enfoque sistemático de Diseño de Experimentos (DOE) utilizando la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) con un Diseño de Composición Central (CCD).

• Fabricación de la Membrana: Se preparó una capa de soporte de Polietersulfona (PES) mediante inversión de fase. La capa selectiva se formó mediante polimerización interfacial utilizando m-fenilendiamina (MPD) y cloruro de trimesoilo (TMC). Las nanopartículas de GO y TiO₂ se dispersaron en la fase acuosa antes de la polimerización.
• Variables Experimentales: Se cribaron y optimizaron tres variables independientes:
  1. Carga de nanomateriales (0.5 – 2.5 % en peso).
  2. Relación GO:TiO₂ (en un rango de 1:2 a 3:1).
  3. Tiempo de reacción de polimerización interfacial (30 – 70 min).
• Evaluación del Desempeño: Se utilizó agua residual sintética con 30 mg/L de amoxicilina y ciprofloxacina. El desempeño se evaluó en función del flujo de agua, la eficiencia de rechazo de antibióticos y la eficiencia de degradación fotocatalítica bajo irradiación UV.
• Caracterización: Las membranas se analizaron mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), Difracción de Rayos X (XRD), Espectroscopía de Transformada de Fourier (FTIR) y mediciones de ángulo de contacto para evaluar la morfología, rugosidad, estructura cristalina, composición química e hidrofilicidad.

Resultados Clave
El estudio identificó las condiciones de síntesis óptimas que equilibran el desempeño de filtración con la actividad fotocatalítica:

• Condiciones Óptimas: Una carga de nanomaterial del 1.5 % en peso, una relación GO:TiO₂ de 2:1 y un tiempo de reacción de polimerización interfacial de 50 minutos.
• Eficiencia de Rechazo: Bajo condiciones óptimas, la membrana alcanzó tasas de rechazo del 96% para amoxicilina y 94% para ciprofloxacina.
• Flujo de Agua: La membrana optimizada exhibió un flujo de agua de 47 L m⁻² h⁻¹, lo que indica que la incorporación de nanomateriales no comprometió la permeabilidad.
• Degradación Fotocatalítica: La membrana demostró una eficiencia de degradación fotocatalítica del 83% para los antibióticos objetivo.
• Propiedades del Material:
  • Morfología: SEM y AFM revelaron una estructura de superficie de "cresta y valle" más rugosa (rugosidad ~56 nm) en comparación con las membranas prístinas, lo que aumentó el área superficial efectiva.
  • Hidrofilicidad: El ángulo de contacto disminuyó a 52°, atribuido a los grupos funcionales que contienen oxígeno del GO y TiO₂, lo que mejora el flujo de agua y reduce el ensuciamiento.
  • Estructura: XRD confirmó la presencia de la fase anatasa del TiO₂ y el óxido de grafeno dentro de la matriz de la membrana. FTIR verificó la formación de la capa de poliamida y la presencia de grupos carboxilo e hidroxilo.
  • Carga Superficial: El Punto de Cero de Carga (PZC) se determinó en 5.6, asegurando que la superficie de la membrana permanezca cargada negativamente en un pH neutro (6–8), facilitando la repulsión electrostática de los contaminantes.

Contribuciones Clave y Significancia
Los autores afirman que esta investigación realiza varias contribuciones distintas al campo de la tecnología de membranas:

1. Evaluación Simultánea: A diferencia de estudios previos que se centraban únicamente en el rechazo de contaminantes, este trabajo evalúa simultáneamente el desempeño de nanofiltración estándar y la degradación fotocatalítica in situ de antibióticos.
2. Vínculo Estructura-Desempeño: El estudio establece un vínculo entre las propiedades estructurales de la membrana (incorporación de GO-TiO₂) y su doble desempeño (filtración y degradación), una relación señalada como ausente previamente en la literatura respecto a las membranas TFN.
3. Optimización Sistemática: Esta investigación proporciona la primera optimización sistemática de DOE-RSM específicamente para membranas de nanofiltración TFN con incorporación de GO y TiO₂, identificando las proporciones sinérgicas precisas y los tiempos de reacción requeridos para la máxima eficiencia.
4. Novedad: El trabajo presenta un enfoque novedoso para el manejo de aguas residuales contaminadas con antibióticos al integrar un mecanismo de degradación fotocatalítica directamente en la membrana de filtración, ofreciendo una solución potencial a las limitaciones de las tecnologías de separación convencional de solo transferencia.

El artículo concluye que la funcionalización de las membranas de nanofiltración con nanomateriales de GO-TiO₂ mejora significativamente tanto la eficiencia de degradación como la de filtración, ofreciendo una estrategia prometedora para el tratamiento de aguas residuales con alto contenido de antibióticos.