Reduced graphene oxide membranes as potential self-assembling filter for industrial wastewater treatment

The contamination of water by inorganic and organic components has become a critical aspect for the planet. Researchers are continuously submitted to new challenges and a definitive solution for this question does not exist yet. In previous works, a lot of solids have been proposed as possible sorbent materials for wastewater treatment. In this thesis work the focus is on the reduced graphene oxide (rGO). The aim is to investigate the ability of this material in the removal of heavy metals present in industrial wastewaters. The first phase of the work concerned the creation of rGO membranes and then the vacuum filtration of some artificial solutions prepared in laboratory, containing single ions and multi-ions in low concentrations. In particular, these solutions reproduced real wastewaters containing Ca2+ and Mg2+ to test the rGO softening capability and Cu2+, Fe3+, Ni2+ and Mn2+ as reference pollutant ions of a mining wastewater. The ions capture efficiency is resulted quite high and, even if it is not 100%, it is satisfactory because of the low costs and the ease of operation compared to other more complex and expensive techniques. Moreover, this type of wastewater treatment leads to acceptable values of ions content in the filtrated solution and a quality of water suitable for the civil or at least for the industrial use. Some issues can be related to the selectivity towards some ions, the scale-up and the industrial application of these membranes. Further researches are useful to better understand the mechanisms of the ions capture; to improve the membranes, for instance with the creation of surface functionalized or composite materials, and to design reactors with reduced graphene oxide foams for the industrial application.

L’inquinamento dell’acqua dovuto a componenti inorganici e organici è divenuto un aspetto critico per il pianeta. I ricercatori sono continuamente sottoposti a nuove sfide e una soluzione definitiva a questa questione ancora non esiste. In lavori precedenti, molti solidi sono stati proposti come possibili materiali assorbenti per il trattamento delle acque reflue. In questo lavoro di tesi, l’attenzione è posta verso l’ossido di grafene ridotto (rGO). Lo scopo è testare l’abilità di questo materiale nella rimozione di metalli pesanti presenti nelle acque reflue industriali. La prima fase del lavoro ha riguardato la creazione di membrane di rGO e successivamente la filtrazione sottovuoto di alcune soluzioni artificiali preparate in laboratorio, contenenti ioni singoli e multi-ione presenti in piccole concentrazioni. In particolare, queste soluzioni riproducevano vere acque reflue contenenti Ca2+ e Mg2+ con il fine di testare la capacità di addolcimento da parte del rGO e Cu2+, Fe3+, Ni2+ e Mn2+ come ioni inquinanti di riferimento di acqua di miniera. L’efficienza nella cattura degli ioni è risultata abbastanza alta e, anche se non del 100%, è soddisfacente considerati i bassi costi e la facilità delle operazioni rispetto ad altre tecniche più complesse e dispendiose. In aggiunta, questo tipo di trattamento delle acque reflue ha dimostrato valori accettabili di ioni contenuti nelle soluzioni filtrate e una qualità dell’acqua adeguata all’uso civile, o almeno per quello industriale. Alcune difficoltà possono essere legate alla selettività verso alcuni ioni, allo scale-up e all’applicazione in campo industriale di queste membrane. Ulteriori ricerche sono necessarie per meglio capire il meccanismo di cattura degli ioni; per migliorare le membrane, per esempio con la creazione di materiali funzionalizzati superficialmente o compositi, e per progettare reattori a schiume di ossido di grafene ridotto per l’applicazione industriale.