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

Sintesi Tecnica: Ibrido Chitosano/MXene/Polimero come Nuovo Filtro con Idrofobicità e Proprietà di Degradazione Migliorate

Definizione del Problema
L'obiettivo primario di questo studio è affrontare la necessità di sistemi di filtrazione economici e ad alte prestazioni capaci di ridurre la Domanda Chimica di Ossigeno (COD) nelle acque reflue. Sebbene l'idrofobicità superficiale sia critica per applicazioni quali la separazione olio-acqua e l'autopulizia, i substrati idrofobici disponibili commercialmente sono spesso costosi. Al contrario, i substrati comuni come la carta da filtro in cellulosa sono intrinsecamente idrofili a causa degli abbondanti gruppi ossidrilici, limitando la loro utilità nei processi di filtrazione idrofobica. Lo studio mira a trasformare la carta da filtro in cellulosa, a basso costo e idrofila, in un filtro composito robusto e idrofobico capace sia della filtrazione fisica che della degradazione ossidativa dei contaminanti organici.

Metodologia
La ricerca ha impiegato una strategia di fabbricazione gerarchica a tre strati:

1. Modifica del Substrato (Rivestimento Idrofobico):

   • La carta da filtro in cellulosa commerciale è stata modificata mediante un metodo di rivestimento per immersione (dip-coating).
   • Una soluzione di Polidimetilsilossano (PDMS) e Polivinilidene fluoruro (PVDF) è stata preparata in una miscela di solventi THF/DMF.
   • Lo studio ha variato sistematicamente i rapporti ponderali PDMS/PVDF (2:1, 4:1, 6:1 e 8:1) e i tempi di immersione (35, 50, 65, 80 minuti e 24 ore) per ottimizzare l'idrofobicità superficiale.
   • Dopo il rivestimento, i filtri sono stati lavati con un metodo a bagno inverso per rimuovere i solventi residui e asciugati.

2. Fabbricazione dello Strato Attivo (Ibrido MXene/Chitosano):

   • La polvere della fase MAX Ti₃AlC₂ è stata incisa con acido fluoridrico (HF) al 7% per 24 ore per produrre nanosheets di MXene.
   • Il chitosano è stato sciolto in una soluzione di acido acetico/acqua.
   • I nanosheets di MXene sono stati dispersi in acqua tramite sonicazione e combinati con la soluzione di chitosano. La miscela è stata sonicata e agitata per creare una soluzione ibrida stabile e omogenea.

3. Assemblaggio Finale:

   • Il filtro idrofobico ottimizzato (rivestito con PDMS/PVDF) è stato immerso nella soluzione di Chitosano/MXene per depositare lo strato attivo superiore.
   • Il prodotto finale è un composito multistrato: un supporto di cellulosa, uno strato intermedio di PDDS/PVDF e uno strato superiore di Chitosano/MXene.

4. Caratterizzazione e Test:

   • Proprietà Superficiali: Gli angoli di contatto con l'acqua sono stati misurati per determinare l'idrofobicità.
   • Analisi Strutturale: FTIR, XRD, FESEM, EDS mapping e UV-vis DRS sono stati utilizzati per analizzare morfologia, cristallinità, distribuzione elementale e proprietà ottiche.
   • Prestazioni: La riduzione del COD è stata testata sotto diversi livelli di pH (4, 7, 10), tempi di contatto (20–120 min) e concentrazioni di H₂O₂ (20–50 ppm) utilizzando il metodo standard di ossidazione al dicromato.

Risultati Chiave

• Ottimizzazione dell'Idrofobicità:

  • L'angolo di contatto dipendeva fortemente sia dal rapporto tra i polimeri che dal tempo di immersione.
  • Il rapporto PDMS/PVDF di 4:1 ha prodotto l'idrofobicità più elevata. Nello specifico, il campione immerso per 65 minuti ha raggiunto un angolo di contatto massimo di 120,12° (Campione B3).
  • Rapporti inferiori (2:1) hanno prodotto angoli di contatto inferiori (<90°), mentre rapporti superiori (6:1 e 8:1) hanno mostrato un declino nell'idrofobicità, attribuito alla potenziale separazione di fase, all'appiattimento superficiale o alla riduzione della rugosità superficiale causata dall'eccesso di PDMS.
  • Tempi di immersione oltre i 65 minuti hanno generalmente portato a una leggera diminuzione o stabilizzazione dell'angolo di contatto, suggerendo uno spessore del rivestimento e una tessitura superficiale ottimali.

• Caratterizzazione Strutturale e Morfologica:

  • FTIR: Ha confermato l'interazione tra MXene e chitosano, mostrando bande sovrapposte O–H/N–H (~3445 cm⁻¹) e vibrazioni Ti–O/Ti–C, indicando forti legami a idrogeno.
  • XRD: Il composito ha mostrato uno spostamento dei picchi dell'MXene verso angoli inferiori e una riduzione dell'intensità, indicando l'intercalazione delle molecole di chitosano tra gli strati di MXene e un aumento dello spazio d.
  • FESEM/EDS: Ha rivelato una superficie gerarchica e ruvida con nanosheets di MXene impilati e immersi in una matrice di chitosano. L'EDS mapping ha confermato la distribuzione uniforme di Ti, C, O e N, e una distinta architettura multistrato con una forte adesione interfacciale al substrato di cellulosa.
  • Proprietà Ottiche: L'analisi DRS ha indicato che il composito Chitosano/MXene ha esibito un maggiore assorbimento di luce nell'intervallo di lunghezze d'onda rispetto all'MXene da solo, suggerendo proprietà elettroniche o ottiche migliorate.

• Prestazioni di Riduzione del COD:

  • Il filtro ha dimostrato capacità significative di rimozione del COD.
  • Dipendenza dal Tempo: A pH 4, la rimozione del COD è aumentata dal 3,3% (20 min) a circa il 59,8% (120 min). A pH 10, la rimozione ha raggiunto circa il 62,5% dopo 120 minuti.
  • Influenza del pH: Le condizioni alcaline (pH 10) hanno mostrato un'efficienza di rimozione leggermente superiore rispetto alle condizioni acide, probabilmente a causa di una maggiore formazione di radicali ossidrile.
  • Influenza di H₂O₂: A pH neutro (7) e 120 minuti, l'aumento della concentrazione di H₂O₂ da 20 a 50 ppm ha migliorato significativamente la rimozione del COD (dal 7,5% al 43,6%), indicando che il sistema opera in un regime limitato dai radicali entro questo intervallo.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che il significato primario di questo lavoro risieda nella realizzazione di un sistema di filtrazione a basso costo e ad alte prestazioni utilizzando come substrato la comune carta da filtro in cellulosa. Eliminando la necessità di costose membrane idrofobiche commerciali, lo studio fornisce una strategia scalabile per il trattamento delle acque reflue.

Gli autori affermano che l'architettura multistrato funziona in modo sinergico:

1. Lo strato PDMS/PVDF converte il substrato idrofilo in una superficie idrofobica, regolando la permeazione dell'acqua e aumentando il tempo di residenza.
2. Lo strato superiore Chitosano/MXene funge sia da barriera di adsorbimento che da agente fotocatalitico. I nanosheets di MXene facilitano la generazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) per la degradazione ossidativa degli inquinanti organici, mentre la matrice di chitosano previene il ri-impilamento dei nanosheets e migliora la compatibilità interfacciale.
3. Il sistema raggiunge la filtrazione fisica e la degradazione chimica simultaneamente, risultando in un'efficace riduzione del COD senza la necessità di materiali complessi o costosi.

Lo studio conclude che il controllo della composizione dei polimeri e del tempo di immersione è critico per modulare l'idrofilia superficiale, e che il filtro ibrido risultante offre una soluzione scalabile e praticabile per migliorare l'efficienza di filtrazione nelle applicazioni di trattamento delle acque reflue.