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

Resumo Técnico: Híbrido de Quitosana/MXene/Polímero como um Novo Filtro com Hidrofobicidade e Propriedades de Degradação Aprimoradas

Definição do Problema
O objetivo principal deste estudo é abordar a necessidade de sistemas de filtração de alto desempenho e baixo custo, capazes de reduzir a Demanda Química de Oxigênio (DQO) em águas residuais. Embora a hidrofobicidade superficial seja crítica para aplicações como separação óleo-água e autolimpeza, os substratos hidrofóbicos comercialmente disponíveis são frequentemente caros. Por outro lado, substratos comuns, como o papel de filtro de celulose, são inerentemente hidrofílicos devido às abundantes hidroxilas, limitando sua utilidade em processos de filtração hidrofóbicos. O estudo visa transformar o papel de filtro de celulose hidrofílico e de baixo custo em um filtro composto robusto e hidrofóbico, capaz de realizar tanto a filtração física quanto a degradação oxidativa de contaminantes orgânicos.

Metodologia
A pesquisa empregou uma estratégia de fabricação hierárquica de três camadas:

1. Modificação do Substrato (Revestimento Hidrofóbico):

   • O papel de filtro de celulose comercial foi modificado usando um método de revestimento por imersão (dip-coating).
   • Uma solução de Polidimetilsiloxano (PDMS) e Polivinilideno fluoreto (PVDF) foi preparada em uma mistura de solventes THF/DMF.
   • O estudo variou sistematicamente as proporções de peso de PDMS/PVDF (2:1, 4:1, 6:1, 8:1) e os tempos de imersão (35, 50, 65, 80 minutos e 24 horas) para otimizar a hidrofobicidade da superfície.
   • Após o revestimento, os filtros foram lavados por um método de banho reverso para remover solventes residuais e secos.

2. Fabricação da Camada Ativa (Híbrido MXene/Quitosana):

   • O pó da fase MAX Ti₃AlC₂ foi etivado com ácido fluorídrico (HF) a 7% por 24 horas para produzir nanofolhas de MXene.
   • A quitosana foi dissolvida em uma solução de ácido acético/água.
   • As nanofolhas de MXene foram dispersas em água via sonicação e combinadas com a solução de quitosana. A mistura foi sonicada e agitada para criar uma solução híbrida estável e homogênea.

3. Montagem Final:

   • O papel de filtro hidrofóbico otimizado (revestido com PDMS/PVDF) foi mergulhado na solução de Quitosana/MXene para depositar a camada superior ativa.
   • O produto final é um composto multicamadas: um suporte de celulose, uma camada intermediária de PDMS/PVDF e uma camada superior de Quitosana/MXene.

4. Caracterização e Testes:

   • Propriedades de Superfície: Ângulos de contato com a água foram medidos para determinar a hidrofobicidade.
   • Análise Estrutural: FTIR, XRD, FESEM, mapeamento EDS e UV-vis DRS foram utilizados para analisar morfologia, cristalinidade, distribuição elementar e propriedades ópticas.
   • Desempenho: A redução da DQO foi testada sob diferentes níveis de pH (4, 7, 10), tempos de contato (20–120 min) e concentrações de H₂O₂ (20–50 ppm) usando o método padrão de oxidação por dicromato.

Principais Resultados

• Otimização da Hidrofobicidade:

  • O ângulo de contato foi altamente dependente tanto da proporção de polímero quanto do tempo de imersão.
  • A proporção de PDMS/PVDF de 4:1 rendeu a maior hidrofobicidade. Especificamente, a amostra imersa por 65 minutos alcançou um ângulo de contato máximo de 120,12° (Amostra B3).
  • Proporções menores (2:1) resultaram em ângulos de contato mais baixos (<90°), enquanto proporções maiores (6:1 e 8:1) mostraram um declínio na hidrofobicidade, atribuído à potencial separação de fases, suavização da superfície ou redução da rugosidade superficial causada pelo excesso de PDMS.
  • Tempos de imersão além de 65 minutos geralmente levaram a uma leve diminuição ou estabilização no ângulo de contato, sugerindo uma espessura de revestimento e textura de superfície ideais.

• Caracterização Estrutural e Morfológica:

  • FTIR: Confirmou a interação entre o MXene e a quitosana, mostrando bandas sobrepostas de O–H/N–H (~3445 cm⁻¹) e vibrações de Ti–O/Ti–C, indicando fortes ligações de hidrogênio.
  • XRD: O composto mostrou um deslocamento dos picos do MXene para ângulos menores e redução de intensidade, indicando a intercalação de moléculas de quitosana entre as camadas de MXene e um aumento no espaçamento d.
  • FESEM/EDS: Revelou uma superfície rugosa e hierárquica com nanofolhas de MXene empilhadas e incorporadas em uma matriz de quitosana. O mapeamento EDS confirmou a distribuição uniforme de Ti, C, O e N, e uma arquitetura multicamadas distinta com forte adesão interfacial ao substrato de celulose.
  • Propriedades Ópticas: A análise DRS indicou que o composto de Quitosana/MXene exibiu maior absorção de luz em toda a faixa de comprimento de onda comparado ao MXene isolado, sugerindo propriedades eletrônicas ou ópticas aprimoradas.

• Desempenho de Redução de DQO:

  • O filtro demonstrou capacidades significativas de remoção de DQO.
  • Dependência do Tempo: No pH 4, a remoção de DQO aumentou de 3,3% (20 min) para ~59,8% (120 min). No pH 10, a remoção atingiu ~62,5% após 120 minutos.
  • Influência do pH: Condições alcalinas (pH 10) mostraram eficiência de remoção ligeiramente superior às condições ácidas, provavelmente devido à formação aprimorada de radicais hidroxila.
  • Influência do H₂O₂: No pH neutro (7) e 120 minutos, o aumento da concentração de H₂O₂ de 20 para 50 ppm melhorou significativamente a remoção de DQO (de 7,5% para 43,6%), indicando que o sistema opera em um regime limitado por radicais dentro desta faixa.

Significância e Alegações
O artigo alega que a principal significância deste trabalho reside na fabricação bem-sucedida de um sistema de filtração de alto desempenho e baixo custo utilizando papel de filtro de celulose comercialmente disponível como substrato. Ao eliminar a necessidade de membranas hidrofóbicas comerciais caras, o estudo fornece uma estratégia escalável para o tratamento de águas residuais.

Os autores afirmam que a arquitetura multicamadas funciona sinergicamente:

1. A camada de PDMS/PVDF converte o substrato hidrofílico em uma superfície hidrofóbica, regulando a permeação da água e aumentando o tempo de residência.
2. A camada superior de Quitosana/MXene atua tanto como uma barreira de adsorção quanto como um agente fotocatalítico. As nanofolhas de MXene facilitam a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) para a degradação oxidativa de poluentes orgânicos, enquanto a matriz de quitosana evita o reempilhamento das nanofolhas e melhora a compatibilidade interfacial.
3. O sistema alcança simultaneamente a filtração física e a degradação química, resultando em uma redução eficaz de DQO sem a exigência de materiais complexos ou caros.

O estudo conclui que o controle da composição do polímero e do tempo de imersão é crítico para ajustar a molhabilidade da superfície, e o filtro híbrido resultante oferece uma solução viável e escalável para melhorar a eficiência da filtração em aplicações de tratamento de águas residuais.