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

Resumen Técnico: Híbrido de Quitosano/MXeno/Polímero como un Nuevo Filtro con Hidrofobicidad y Propiedades de Degradación Mejoradas

Planteamiento del Problema
El objetivo principal de este estudio es abordar la necesidad de sistemas de filtración de alto rendimiento y bajo costo capaces de reducir la Demanda Química de Oxígeno (DQO) en las aguas residuales. Si bien la hidrofobicidad superficial es crítica para aplicaciones como la separación de aceite y agua o la autolimpieza, los sustratos hidrofóbicos disponibles comercialmente suelen ser costosos. Por el contrario, los sustratos comunes como el papel de filtro de celulosa son inherentemente hidrofílicos debido a sus abundantes grupos hidroxilo, lo que limita su utilidad en procesos de filtración hidrofóbica. El estudio pretende transformar el papel de filtro de celulosa de bajo costo e hidrofílico en un filtro compuesto robusto e hidrofóbico capaz tanto de la filtración física como de la degradación oxidativa de contaminantes orgánicos.

Metodología
La investigación empleó una estrategia de fabricación jerárquica de tres capas:

1. Modificación del Sustrato (Recubrimiento Hidrofóbico):

   • El papel de filtro de celulosa comercial fue modificado mediante un método de recubrimiento por inmersión (dip-coating).
   • Se preparó una solución de Polidimetilsiloxano (PDMS) y Fluoruro de polivinilideno (PVDF) en una mezcla de solventes THF/DMF.
   • El estudio varió sistemáticamente las proporciones de peso de PDMS/PVDF (2:1, 4:1, 6:1, 8:1) y los tiempos de inmersión (35, 50, 65, 80 minutos y 24 horas) para optimizar la hidrofobicidad superficial.
   • Tras el recubrimiento, los filtros se lavaron mediante un método de baño inverso para eliminar los solventes residuales y se secaron.

2. Fabricación de la Capa Activa (Híbrido de MXeno/Quitosano):

   • El polvo de la fase MAX Ti₃AlC₂ fue grabado utilizando ácido fluorhídrico (HF) al 7% durante 24 horas para producir nanohojas de MXeno.
   • El quitosano se disolvió en una solución de ácido acético/agua.
   • Las nanohojas de MXeno se dispersaron en agua mediante sonicación y se combinaron con la solución de quitosano. La mezcla se sometió a sonicación y agitación para crear una solución híbrida estable y homogénea.

3. Ensamblaje Final:

   • El papel de filtro hidrofóbico optimizado (recubierto con PDMS/PVDF) se sumergió en la solución de Quitosano/MXeno para depositar la capa superior activa.
   • El producto final es un compuesto multicapa: un soporte de celulosa, una capa intermedia de PDMS/PVDF y una capa superior de Quitosano/MXeno.

4. Caracterización y Pruebas:

   • Propiedades Superficiales: Se midieron los ángulos de contacto con el agua para determinar la hidrofobicidad.
   • Análisis Estructural: Se utilizaron FTIR, XRD, FESEM, mapeo EDS y UV-vis DRS para analizar la morfología, cristalinidad, distribución elemental y propiedades ópticas.
   • Desempeño: La reducción de la DQO se probó bajo diferentes niveles de pH (4, 7, 10), tiempos de contacto (20–120 min) y concentraciones de H₂O₂ (20–50 ppm) utilizando el método estándar de oxidación por dicromato.

Resultados Clave

• Optimización de la Hidrofobicidad:

  • El ángulo de contacto dependió altamente tanto de la proporción de polímeros como del tiempo de inmersión.
  • La proporción de PDMS/PVDF de 4:1 produjo la mayor hidrofobicidad. Específicamente, la muestra sumergida durante 65 minutos alcanzó un ángulo de contacto máximo de 120.12° (Muestra B3).
  • Las proporciones menores (2:1) resultaron en ángulos de contacto más bajos (<90°), mientras que las proporciones mayores (6:1 y 8:1) mostraron un descenso en la hidrofobicidad, atribuido a una posible separación de fases, suavizado de la superficie o reducción de la rugosidad superficial causada por el exceso de PDMS.
  • Los tiempos de inmersión más allá de los 65 minutos generalmente condujeron a una ligera disminución o estabilización del ángulo de contacto, lo que sugiere un espesor de recubrimiento y una textura superficial óptimos.

• Caracterización Estructural y Morfológica:

  • FTIR: Confirmó la interacción entre el MXeno y el quitosano, mostrando bandas superpuestas de O–H/N–H (~3445 cm⁻¹) y vibraciones de Ti–O/Ti–C, lo que indica una fuerte unión de hidrógeno.
  • XRD: El compuesto mostró un desplazamiento de los picos del MXeno hacia ángulos menores y una reducción en la intensidad, lo que indica la intercalación de moléculas de quitosano entre las capas de MXeno y un aumento en el espaciado d.
  • FESEM/EDS: Reveló una superficie jerárquica y rugosa, con nanohojas de MXeno apiladas y embebidas en una matriz de quitosano. El mapeo EDS confirmó la distribución uniforme de Ti, C, O y N, y una arquitectura multicapa distinta con una fuerte adhesión interfacial al sustrato de celulosa.
  • Propiedades Ópticas: El análisis DRS indicó que el compuesto de Quitosano/MXeno exhibió una mayor absorción de luz en todo el rango de longitud de onda en comparación con el MXeno solo, lo que sugiere una mejora en las propiedades electrónicas u ópticas.

• Desempeño de Reducción de DQO:

  • El filtro demostró capacidades significativas de eliminación de DQO.
  • Dependencia del Tiempo: A pH 4, la eliminación de DQO aumentó del 3.3% (20 min) a aproximadamente el 59.8% (120 min). A pH 10, la eliminación alcanzó aproximadamente el 62.5% tras 120 minutos.
  • Influencia del pH: Las condiciones alcalinas (pH 10) mostraron una eficiencia de eliminación ligeramente superior a las condiciones ácidas, probablemente debido a una mayor formación de radicales hidroxilo.
  • Influencia de H₂O₂: A pH neutro (7) y 120 minutos, el aumento de la concentración de H₂O₂ de 20 a 50 ppm mejoró significativamente la eliminación de DQO (del 7.5% al 43.6%), lo que indica que el sistema opera en un régimen limitado por radicales dentro de este rango.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la principal significancia de este trabajo reside en la fabricación exitosa de un sistema de filtración de alto rendimiento y bajo costo utilizando papel de filtro de celulosa comercial como sustrato. Al eliminar la necesidad de membranas hidrofóbicas comerciales costosas, el estudio proporciona una estrategia escalable para el tratamiento de aguas residuales.

Los autores afirman que la arquitectura multicapa funciona de manera sinérgica:

1. La capa de PDMS/PVDF convierte el sustrato hidrofílico en una superficie hidrofóbica, regulando la permeación del agua y aumentando el tiempo de residencia.
2. La capa superior de Quitosano/MXeno actúa tanto como una barrera de adsorción como un agente fotocatalítico. Las nanohojas de MXeno facilitan la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) para la degradación oxidativa de contaminantes orgánicos, mientras que la matriz de quitosano evita el reensamblaje de las nanohojas y mejora la compatibilidad interfacial.
3. El sistema logra la filtración física y la degradación química simultáneamente, lo que resulta en una reducción efectiva de la DQO sin requerir materiales complejos o costosos.

El estudio concluye que el control de la composición del polímero y el tiempo de inmersión es crítico para ajustar la humectabilidad de la superficie, y que el filtro híbrido resultante ofrece una solución viable y escalable para mejorar la eficiencia de filtración en aplicaciones de tratamiento de aguas residuales.