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

Résumé technique : Hybride Chitosane/MXene/Polymère comme nouveau filtre avec hydrophobicité et propriétés de dégradation améliorées

Énoncé du problème
L'objectif principal de cette étude est de répondre au besoin de systèmes de filtration performants et rentables, capables de réduire la demande chimique en oxygène (DCO) dans les eaux usées. Bien que l'hydrophobicité de surface soit critique pour des applications telles que la séparation huile-eau et l'auto-nettoyage, les substrats hydrophobes disponibles commercialement sont souvent coûteux. À l'inverse, les substrats courants comme le papier filtre de cellulose sont intrinsèquement hydrophiles en raison de l'abondance de groupes hydroxyle, ce qui limite leur utilité dans les processus de filtration hydrophobes. L'étude vise à transformer un papier filtre de cellulose peu coûteux et hydrophile en un composite filtrant hydrophobe et robuste, capable à la fois de filtration physique et de dégradation oxydative des contaminants organiques.

Méthodologie
La recherche a employé une stratégie de fabrication hiérarchique à trois couches :

1. Modification du substrat (Revêtement hydrophobe) :

   • Un papier filtre de cellulose commercial a été modifié par une méthode de trempage (dip-coating).
   • Une solution de polydiméthylsiloxane (PDMS) et de polyfluorure de vinylidène (PVDF) a été préparée dans un mélange de solvants THF/DMF.
   • L'étude a fait varier systématiquement les rapports de poids PDMS/PVDF (2:1, 4:1, 6:1, et 8:1) et les temps d'immersion (35, 50, 65, 80 minutes, et 24 heures) pour optimiser l'hydrophobicité de surface.
   • Après le revêtement, les filtres ont été lavés par une méthode de bain inversé pour éliminer les solvants résiduels et séchés.

2. Fabrication de la couche active (Hybride MXene/Chitosane) :

   • La poudre de phase MAX Ti₃AlC₂ a été gravée à l'aide d'acide fluorhydrique (HF) à 7 % pendant 24 heures pour produire des nanofeuillets de MXene.
   • Le chitosane a été dissous dans une solution d'acide acétique/eau.
   • Les nanofeuillets de MXene ont été dispersés dans l'eau par sonication puis combinés à la solution de chitosane. Le mélange a été soniqué et agité pour créer une solution hybride stable et homogène.

3. Assemblage final :

   • Le papier filtre hydrophobe optimisé (revêtu de PDMS/PVDF) a été trempé dans la solution de Chitosane/MXene pour déposer la couche active supérieure.
   • Le produit final est un composite multicouche : un support de cellulose, une couche intermédiaire de PDMS/PVDF et une couche supérieure de Chitosan/MXene.

4. Caractérisation et tests :

   • Propriétés de surface : Les angles de contact de l'eau ont été mesurés pour déterminer l'hydrophobicité.
   • Analyse structurelle : L'FTIR, l'XRD, la FESEM, la cartographie EDS et l'UV-vis DRS ont été utilisés pour analyser la morphologie, la cristallinité, la distribution élémentaire et les propriétés optiques.
   • Performance : La réduction de la DCO a été testée sous différents niveaux de pH (4, 7, 10), temps de contact (20–120 min) et concentrations de H₂O₂ (20–50 ppm) en utilisant la méthode standard d'oxydation au dichromate.

Résultats clés

• Optimisation de l'hydrophobicité :

  • L'angle de contact dépendait fortement du rapport de polymère et du temps d'immersion.
  • Le rapport PDMS/PVDF de 4:1 a produit l'hydrophobicité la plus élevée. Plus précisément, l'échantillon immergé pendant 65 minutes a atteint un angle de contact maximal de 120,12° (Échantillon B3).
  • Les rapports plus faibles (2:1) ont entraîné des angles de contact plus bas (<90°), tandis que les rapports plus élevés (6:1 et 8:1) ont montré une baisse de l'hydrophobicité, attribuée à une potentielle séparation de phase, un lissage de surface ou une réduction de la rugosité de surface causée par un excès de PDMS.
  • Les temps d'immersion au-delà de 65 minutes ont généralement conduit à une légère diminution ou une stabilisation de l'angle de contact, suggérant une épaisseur de revêtement et une texture de surface optimales.

• Caractérisation structurelle et morphologique :

  • FTIR : A confirmé l'interaction entre le MXene et le chitosane, montrant des bandes O–H/N–H superposées (~3445 cm⁻¹) et des vibrations Ti–O/Ti–C, indiquant des liaisons hydrogène fortes.
  • XRD : Le composite a montré un décalage des pics de MXene vers des angles plus bas et une intensité réduite, indiquant l'intercalation de molécules de chitosane entre les couches de MXene et une augmentation de l'espacement d-spacing.
  • FESEM/EDS : A révélé une surface hiérarchique rugueuse avec des nanofeuillets de MXene empilés et enchâssés dans une matrice de chitosane. La cartographie EDS a confirmé la distribution uniforme de Ti, C, O et N, ainsi qu'une architecture multicouche distincte avec une forte adhérence interfaciale au substrat de cellulose.
  • Propriétés optiques : L'analyse DRS a indiqué que le composite Chitosan/MXene présentait une absorption de lumière plus élevée sur toute la gamme de longueurs d'onde par rapport au MXene seul, suggérant des propriétés électroniques ou optiques améliorées.

• Performance de réduction de la DCO :

  • Le filtre a démontré des capacités significatives d'élimination de la DCO.
  • Dépendance au temps : À pH 4, l'élimination de la DCO est passée de 3,3 % (20 min) à environ 59,8 % (120 min). À pH 10, l'élimination a atteint environ 62,5 % après 120 minutes.
  • Influence du pH : Les conditions alcalines (pH 10) ont montré une efficacité d'élimination légèrement supérieure aux conditions acides, probablement en raison d'une formation accrue de radicaux hydroxyles.
  • Influence du H₂O₂ : À pH neutre (7) et après 120 minutes, l'augmentation de la concentration de H₂O₂ de 20 à 50 ppm a considérablement amélioré l'élimination de la DCO (de 7,5 % à 43,6 %), indiquant que le système opère dans un régime limité par les radicaux dans cette plage.

Signification et revendications
L'article affirme que la principale importance de ce travail réside dans la fabrication réussie d'un système de filtration performant et à bas coût utilisant du papier filtre de cellulose commercial comme substrat. En éliminant le besoin de membranes hydrophobes commerciales coûteuses, l'étude fournit une stratégie évolutive pour le traitement des eaux usées.

Les auteurs soutiennent que l'architecture multicouche fonctionne de manière synergique :

1. La couche PDMS/PVDF convertit le substrat hydrophile en une surface hydrophobe, régulant la perméation de l'eau et augmentant le temps de résidence.
2. La couche supérieure de Chitosan/MXene agit à la fois comme une barrière d'adsorption et comme un agent photocatalytique. Les nanofeuillets de MXene facilitent la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) pour la dégradation oxydative des polluants organiques, tandis que la matrice de chitosane empêche le réempilement des feuillets et améliore la compatibilité interfaciale.
3. Le système permet une filtration physique et une dégradation chimique simultanées, aboutissant à une réduction efficace de la DCO sans nécessiter de matériaux complexes ou coûteux.

L'étude conclut que le contrôle de la composition des polymères et du temps d'immersion est critique pour ajuster la mouillabilité de surface, et que l'hybride filtrant résultant offre une solution viable et évolutive pour améliorer l'efficacité de la filtration dans les applications de traitement des eaux usées.