Fabrication and characterization of reduced graphene oxide-based membranes for industrial wastewater treatment

The contamination of wastewater by organic and inorganic pollutants is nowadays a worldwide problem that must be addressed. The focus must be placed on the promotion of new technologies which can be economically-attractive and able to remove the contaminants with a lower energy expense compared to common processes employed nowadays. In the last few years some novel solutions were developed, such as filtering membranes based on graphene, graphene oxide and reduced graphene oxide. In this Thesis work we attempted to develop a preliminary composite self-assembling membrane formed by reduced graphene oxide (rGO) and titanium dioxide (TiO2) aimed to the removal of contaminants from industrial wastewater. The most attractive features of these two components are the established ability of reduced graphene oxide to remove inorganic pollutants, and the well-known capability of titanium dioxide to degrade organic substances. The desired future application of this technology would hopefully be in photocatalytic reactors, after the morphological and strutural opimization of the composite material. The membranes were prepared by vacuum filtering a dispersion of rGO and titanium dioxide. Conventionally, the reduction of graphene oxide is carried out with polluting and hazardous chemicals, such as hydrazine (N2H4); in this work, the reduction of GO was achieved with ascorbic acid, focusing on an eco-friendly approach. The characterization of the samples was carried out through techniques such as FT-IR spectroscopy, XRD, SEM imaging, EDS and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). This allowed to study how the content of titanium dioxide would influence the properties of the membranes, fabricating samples with TiO2:GO weight ratios from 100:1 to 1:1. A preliminary assessment of the wastewater treatment performance of the membranes was carried out. More specifically, we focused on the estimation of the removal efficiency of inorganic and organic pollutants, preparing a set of model solutions containing some heavy metal ions (Fe3+, Cu2+, Ni2+ and Mn2+) and a specific pesticide (alachlor pestanalTM).

La contaminazione delle acque reflue dovuta a inquinanti organici e inorganici è un problema sempre più impellente. L’attenzione deve essere posta sulla promozione di nuove tecnologie più economiche e in grado di rimuovere questi contaminanti con un minore consumo energetico rispetto ai processi più comunemente usati al giorno d’oggi. Negli ultimi anni sono state sviluppate alcune soluzioni innovative, tra cui membrane a base di grafene, ossido di grafene e in ossido di grafene ridotto. In questo lavoro di Tesi abbiamo tentato di sviluppare in maniera preliminare una membrana self-assembling composita in ossido di grafene ridotto (rGO) e biossido di titanio (TiO2), con lo scopo di rimuovere contaminanti dalle acque reflue industriali. Le caratteristiche più interessanti di questi due componenti sono la riconosciuta capacità dell’ossido di grafene ridotto di rimuovere gli inquinanti inorganici e le note proprietà di degradazione degli inquinanti organici del biossido di titanio. L’applicazione futura desiderata per questa tecnologia è l’utilizzo in reattori fotocatalitici, in seguito all’ottimizzazione morfologica e strutturale del materiale composito. Le membrane sono state preparate filtrando a vuoto una dispersione acquosa di rGO e titania. Convenzionalmente, la riduzione dell’ossido di grafene viene ottenuta tramite alcune sostanze chimiche molto inquinanti e pericolose, come l’idrazina (N2H4); in questo lavoro la riduzione dell’ossido di grafene è stata effettuata tramite l’acido ascorbico, seguendo un approccio più eco-sostenibile. I campioni sono stati caratterizzati con tecniche quali la spettroscopia FT-IR, XRD, microscopia SEM, EDS e spettroscopia elettrochimica a impedenza (EIS). Questo ha permesso lo studio dell’effetto del biossido di titanio sulle proprietà delle membrane, attraverso la preparazione di campioni con diversi rapporti in peso tra TiO2 e GO (da 100:1 a 1:1). L’efficacia delle membrane per il trattamento delle acque reflue è stata valutata in maniera preliminare. Più specificamente, abbiamo posto l’attenzione sulla stima dell’efficienza di rimozione di inquinanti inorganici e organici, preparando un set di soluzioni modello contenenti alcuni ioni di metalli pesanti (Fe3+, Cu2+, Ni2+ e Mn2+) e un pesticida specifico (alachlor pestanalTM).