Miglioramento della purificazione dell'acqua mediante membrana di ultrafiltrazione PVDF modificata con GO

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8076 (2023) Citare questo articolo

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Questo lavoro presenta una membrana di ultrafiltrazione di polivinilidene fluoruro (PVDF) modificata miscelata con idrogel (HG) di ossido di grafene-alcol polivinilico-sodio alginato (GO-PVA-NaAlg) e polivinilpirrolidone (PVP) preparato mediante l'approccio di inversione di fase indotto dalla precipitazione per immersione. Le caratteristiche delle membrane con diverse concentrazioni di HG e PVP sono state analizzate mediante microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM), microscopia a forza atomica (AFM), misurazione dell'angolo di contatto (CA) e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier a riflettanza totale attenuata (ATR-FTIR). Le immagini FESEM hanno mostrato una struttura asimmetrica delle membrane fabbricate, che possiedono uno strato sottile e denso sulla parte superiore e uno strato simile a un dito. Con l'aumento del contenuto di HG, la ruvidità della superficie della membrana aumenta in modo che la massima ruvidità superficiale per la membrana contenente l'1% in peso di HG abbia un valore Ra di 281,4 nm. Inoltre, l'angolo di contatto della membrana va da 82,5° nella membrana in PVDF nuda a 65,1° nella membrana contenente l'1% in peso di HG. Sono state valutate le influenze dell'aggiunta di HG e PVP alla soluzione di colata sul flusso di acqua pura (PWF), sull'idrofilicità, sulla capacità antivegetativa e sull'efficienza di rigetto del colorante. Il flusso d'acqua più elevato ha raggiunto 103,2 L/m2 h a 3 bar per le membrane in PVDF modificate contenenti lo 0,3% in peso di HG e l'1,0% in peso di PVP. Questa membrana ha mostrato un'efficienza di rigetto superiore al 92%, 95% e 98% rispettivamente per Methyl Orange (MO), Conge Red (CR) e Bovine Serum Albumin (BSA). Tutte le membrane nanocomposite possedevano un rapporto di recupero del flusso (FRR) superiore rispetto alle membrane in PVDF nudo e la migliore prestazione anti-incrostazione del 90,1% era relativa alla membrana contenente lo 0,3% in peso di HG. Le prestazioni di filtrazione migliorate delle membrane modificate con HG erano dovute alla maggiore idrofilicità, porosità, dimensione media dei pori e ruvidità superficiale dopo l'introduzione di HG.

L'acqua è una fonte vitale vitale di cui gli organismi hanno bisogno per sopravvivere; tuttavia, solo una quantità limitata di acqua disponibile contiene acqua dolce1,2. Uno dei principali inquinanti presenti nelle acque reflue rilasciate da varie industrie, principalmente tessili e della carta, sono i coloranti che causano rischi per la salute umana e creano problemi ambientali dannosi3. I coloranti dell'industria tessile hanno un peso molecolare elevato, non biodegradabilità, reagenti tossici e strutture complesse. Inoltre, i coloranti come barriera all'emissione di luce interrompono la crescita delle piante acquatiche; pertanto, il trattamento di tali effluenti è vitale4,5. I metodi comuni per il trattamento delle acque reflue contenenti coloranti comprendono l'ossidazione chimica/fotocatalitica, l'adsorbimento, la separazione tramite membrana e la coagulazione6. A causa dell’elevato fabbisogno energetico e della limitata riutilizzabilità delle tecnologie di trattamento convenzionali, i processi di separazione a membrana con elevata efficienza, facilità di funzionamento e consumo energetico ridotto hanno ricevuto maggiore attenzione7,8. I processi a membrana basati sulla forza di pressione includono la microfiltrazione (MF)9,10, l'ultrafiltrazione (UF)11, la nanofiltrazione (NF)12 e l'osmosi inversa (RO)13. La tecnica UF è ampiamente utilizzata nel trattamento dell'acqua inquinata con diversi coloranti14.

Il polivinilidene fluoruro (PVDF) è una sostanza adatta per la produzione di membrane polimeriche UF grazie alla sua buona resistenza chimica, stabilità termica e resistenza meccanica15. Le membrane in PVDF sono relativamente idrofobe o meno idrofile, causando così l'intasamento della membrana da parte di proteine ​​e sostanze organiche durante il trattamento delle acque reflue. L'incrostazione della membrana riduce la sua durata e il flusso d'acqua, mentre aumenta i costi energetici16. Pertanto, l’idrofilicità della membrana risulta significativamente ridotta9. Varie tecniche possono migliorare l'idrofilicità e le caratteristiche antivegetative di tali membrane; ad esempio, nanoparticelle inorganiche sono state incorporate nella matrice della membrana, con conseguente aumento dell'idrofilia e dell'antivegetativa. Wu et al. hanno sintetizzato la membrana composita PVDF-SiO2 tramite l'approccio dell'inversione di fase (PI), dimostrando che l'aggiunta di SiO2 ha migliorato la resistenza alle incrostazioni della membrana17. Yan et al. membrane PVDF/Al2O3 modificate sintetizzate tramite il metodo PI. Le analisi AFM e SEM hanno dimostrato che le nanoparticelle Al2O3 hanno migliorato le prestazioni anti-incrostazione della membrana e il flusso di permeazione rispetto alla membrana non modificata18. Altre nanoparticelle includono biossido di titanio (TiO2)19, ossido ferroferrico (Fe3O4)20, nanotubi di carbonio (CNT)21 e ossido di grafene (GO)22, che sono stati utilizzati nella fabbricazione di membrane per rimuovere con successo i coloranti.