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

तकनीकी सारांश: बढ़ी हुई हाइड्रोफोबिसिटी और क्षरण गुणों के साथ एक नए फिल्टर के रूप में चिटोसन/MXene/पॉलिमर हाइब्रिड

समस्या विवरण
इस अध्ययन का प्राथमिक उद्देश्य अपशिष्ट जल में रासायनिक ऑक्सीजन मांग (COD) को कम करने में सक्षम लागत प्रभावी, उच्च प्रदर्शन वाले फिल्ट्रेशन सिस्टम की आवश्यकता को संबोधित करना है। जबकि तेल-पानी पृथक्करण और स्व-सफाई जैसे अनुप्रयोगों के लिए सतह की हाइड्रोफोबिसिटी (जल-विकर्षकता) महत्वपूर्ण है, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हाइड्रोफोबिक सबस्ट्रेट अक्सर महंगे होते हैं। इसके विपरीत, सेलुलोज फिल्टर पेपर जैसे सामान्य सबस्ट्रेट अपने प्रचुर हाइड्रॉक्सिल समूहों के कारण स्वाभाविक रूप से हाइड्रोफिलिक (जल-स्नेही) होते हैं, जो हाइड्रोफोबिक फिल्ट्रेशन प्रक्रियाओं में उनकी उपयोगिता को सीमित करते हैं। यह अध्ययन कम लागत वाले, हाइड्रोफिलिक सेलुलोज फिल्टर पेपर को एक मजबूत, हाइड्रोफोबिक कंपोजिट फिल्टर में बदलने का लक्ष्य रखता है जो भौतिक निस्पंदन (फिल्ट्रेशन) और कार्बनिक प्रदूषकों के ऑक्सीडेटिव क्षरण (डिग्रेडेशन) दोनों में सक्षम हो।

कार्यप्रणाली (मेथोडोलॉजी)
अनुसंधान में एक तीन-परत पदानुक्रमित निर्माण रणनीति का उपयोग किया गया था:

1. सबस्ट्रेट संशोधन (हाइड्रोफोबिक कोटिंग):

   • वाणिज्यिक सेलुलोज फिल्टर पेपर को डिप-कोटिंग विधि का उपयोग करके संशोधित किया गया था।
   • PDMS और PVDF का एक समाधान THF/DMF सॉल्वेंट मिश्रण में तैयार किया गया।
   • अध्ययन ने सतह की हाइड्रोफोबिसिटी को अनुकूलित करने के लिए PDMS/PVDF वेट रेश्यो (2:1, 4:1, 6:1, और 8:1) और इमर्शन समय (35, 50, 65, 80 मिनट, और 24 घंटे) को व्यवस्थित रूप से परिवर्तित किया।
   • कोटिंग के बाद, अवशिष्ट सॉल्वेंट्स को हटाने के लिए फिल्टर को रिवर्स-बाथ विधि से धोया गया और सुखाया गया।

2. सक्रिय परत का निर्माण (MXene/Chitosan हाइब्रिड):

   • Ti₃AlC₂ MAX फेज पाउडर को MXene नैनोशीट्स बनाने के लिए 7% हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (HF) का उपयोग करके 24 घंटों तक निक्षालित (etch) किया गया।
   • चिटोसन को एसिटिक एसिड/पानी के घोल में घोला गया।
   • MXene नैनोशीट्स को सोनिकेशन के माध्यम से पानी में फैलाया गया और चिटोसन समाधान के साथ मिलाया गया। एक स्थिर, सजातीय (homogeneous) हाइब्रिड समाधान बनाने के लिए मिश्रण को सोनिकेट और स्टिर किया गया।

3. अंतिम संयोजन (Final Assembly):

   • अनुकूलित हाइड्रोफोबिक फिल्टर पेपर (PDMS/PVDF के साथ कोटेड) को सक्रिय ऊपरी परत जमा करने के लिए चिटोसन/MXene समाधान में डुबोया गया।
   • अंतिम उत्पाद एक मल्टीलेयर कंपोजिट है: एक सेलुलोज सपोर्ट, एक PDMS/PVDF इंटरमीडिएट लेयर, और एक चिटोसन/MXene टॉप लेयर।

4. विशेषण और परीक्षण (Characterization and Testing):

   • सतह के गुण: हाइड्रोफोबिसिटी निर्धारित करने के लिए वाटर कॉन्टैक्ट एंगल्स को मापा गया।
   • संरचनात्मक विश्लेषण: मॉर्फोलॉजी, क्रिस्टलिनिटी, तत्व वितरण और ऑप्टिकल गुणों का विश्लेषण करने के लिए FTIR, XRD, FESEM, EDS मैपिंग, और UV-vis DRS का उपयोग किया गया।
   • प्रदर्शन: मानक डाइक्रोमेट ऑक्सीकरण विधि का उपयोग करके विभिन्न pH स्तरों (4, 7, 10), संपर्क समय (20–120 मिनट), और H₂O₂ सांद्रता (20–50 ppm) के तहत COD रिडक्शन का परीक्षण किया गया।

प्रमुख परिणाम

• हाइड्रोफोबिसिटी का अनुकूलन:

  • कॉन्टैक्ट एंगल पॉलीमर अनुपात और इमर्शन समय दोनों पर अत्यधिक निर्भर था।
  • 4:1 का PDMS/PVDF अनुपात ने उच्चतम हाइड्रोफोबिसिटी प्रदान की। विशेष रूप से, 65 मिनट के लिए इमर्स किए गए नमूने (सैंपल B3) ने 120.12° का अधिकतम कॉन्टैक्ट एंगल प्राप्त किया।
  • कम अनुपात (2:1) के परिणामस्वरूप कम कॉन्टैक्ट एंगल (<90°) प्राप्त हुआ, जबकि उच्च अनुपात (6:1 और 8:1) में हाइड्रोफोबिसिटी में गिरावट देखी गई, जिसका कारण संभावित चरण पृथक्करण (phase separation), सतह का स्मूथ होना, या अत्यधिक PDMS के कारण सतह की खुरदरापन में कमी है।
  • 65 मिनट से अधिक के इमर्शन समय के परिणामस्वरूप कॉन्टैक्ट एंगल में मामूली गिरावट या स्थिरता आई, जो इष्टतम कोटिंग मोटाई और सतह बनावट का सुझाव देती है।

• संरचनात्मक और रूपात्मक लक्षण वर्णन (Structural and Morphological Characterization):

  • FTIR: MXene और चिटोसन के बीच की अंतःक्रिया की पुष्टि की, जिसमें ओवरलैपिंग O–H/N–H बैंड (~3445 cm⁻¹) और Ti–O/Ti–C वाइब्रेशन दिखाई दिए, जो मजबूत हाइड्रोजन बॉन्डिंग का संकेत देते हैं।
  • XRD: कंपोजिट ने कम कोणों पर MXene पीक्स में बदलाव और कम तीव्रता दिखाई, जो MXene परतों के बीच चिटोसन अणुओं के इंटरकैलेशन और d-स्पेसिंग में वृद्धि का संकेत देता है।
  • FESEM/EDS: एक खुरदरी, पदानुक्रमित सतह को दिखाया जिसमें चिटोसन मैट्रिक्स में एम्बेडेड decked MXene नैनोशीट्स थीं। EDS मैपिंग ने Ti, C, O, और N का समान वितरण और सेलुलोज सबस्ट्रेट के साथ मजबूत इंटरफेशियल आसंजन के साथ एक स्पष्ट मल्टीलेयर आर्किटेक्चर की पुष्टि की।
  • ऑप्टिकल गुण: DRS विश्लेषण ने संकेत दिया कि चिटोसन/MXene कंपोजिट ने अकेले MXene की तुलना में वेवलेंथ रेंज में उच्च प्रकाश अवशोषण प्रदर्शित किया, जो उन्नत इलेक्ट्रॉनिक या ऑप्टिकल गुणों का सुझाव देता है।

• COD रिडक्शन प्रदर्शन:

  • फिल्टर ने महत्वपूर्ण COD निष्कासन क्षमता प्रदर्शित की।
  • समय निर्भरता: pH 4 पर, COD रिमूवल 3.3% (20 मिनट) से बढ़कर ~59.8% (120 मिनट) हो गया। pH 10 पर, 120 मिनट के बाद रिमूवल ~62.5% तक पहुँच गया।
  • pH का प्रभाव: अम्लीय स्थितियों की तुलना में क्षारीय स्थितियों (pH 10) ने थोड़ी उच्च रिमूवल दक्षता दिखाई, जो संभवतः बढ़े हुए हाइड्रॉक्सिल रेडिकल निर्माण के कारण है।
  • H₂O₂ का प्रभाव: न्यूट्रल pH (7) और 120 मिनट पर, H₂O₂ सांद्रता को 20 से 50 ppm तक बढ़ाने से COD रिमूवल में उल्लेखनीय सुधार हुआ (7.5% से 43.6% तक), जो इंगित करता है कि सिस्टम इस रेंज के भीतर एक रेडिकल-लिमिटेड रिजीम में कार्य करता है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि इस कार्य का प्राथमिक महत्व व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सेलुलोज फिल्टर पेपर का उपयोग करके एक कम लागत वाला, उच्च प्रदर्शन वाला फिल्ट्रेशन सिस्टम बनाने में निहित है। महंगे वाणिज्यिक हाइड्रोफोबिक मेम्ब्रेन की आवश्यकता को समाप्त करके, यह अध्ययन अपशिष्ट जल उपचार के लिए एक स्केलेबल रणनीति प्रदान करता है।

लेखक का तर्क है कि मल्टीलेयर आर्किटेक्चर तालमेल (synergistically) के साथ कार्य करता है:

1. PDMS/PVDF लेयर हाइड्रोफिलिक सबस्ट्रेट को हाइड्रोफोबिक सतह में बदल देती है, जिससे जल पारगम्यता (permeation) नियंत्रित होती है और निवास समय (residence time) बढ़ता है।
2. Chitosan/MXene टॉप लेयर एक अधिशोषण अवरोध (adsorption barrier) और एक फोटोकैटलिटिक एजेंट दोनों के रूप में कार्य करती है। MXene नैनोशीट्स कार्बनिक प्रदूषकों के ऑक्सीडेटिव क्षरण के लिए रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज (ROS) के उत्पादन को सुगम बनाती हैं, जबकि चिटोसन मैट्रिक्स नैनोशीट्स के पुन: स्टैकिंग को रोकता है और इंटरफेशियल अनुकूलता को बढ़ाता है।
3. सिस्टम भौतिक निष्पंदन और रासायनिक क्षरण को एक साथ प्राप्त करता है, जिसके परिणामस्वरूप जटिल या महंगी सामग्रियों की आवश्यकता के बिना प्रभावी COD रिडक्शन होता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि सतह की गीलापन (wettability) को ट्यून करने के लिए पॉलीमर संरचना और इमर्शन समय को नियंत्रित करना महत्वपूर्ण है, और परिणामी हाइब्रिड फिल्टर अपशिष्ट जल उपचार अनुप्रयोगों में फिल्ट्रेशन दक्षता में सुधार के लिए एक व्यवहार्य, स्केलेबल समाधान प्रदान करता है।