Composite self-assembling membranes as innovative filters for hybrid wastewater treatment

Due to the continuous population growth and the increase in industrialization, freshwater scarcity and polluted wastewater generation have become worldwide issues. Membrane technology represents a sustainable, relatively low-cost and low energy-consuming approach for the effective removal of contaminants from water. In the last years, graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) emerged as promising membrane materials, thanks to their remarkable filtration properties. In this Thesis work, composite self-assembling membranes were fabricated with reduced graphene oxide (rGO) and titanium dioxide (TiO2), with the aim of evaluating their ability in removing pollutants from wastewater. The reduction of graphene oxide (GO) was achieved with L-Ascorbic Acid (L-AA) in a weight ratio GO/L-AA = 1/10, in order to achieve a medium-high degree of reduction. The membranes were prepared by vacuum filtering a rGO/TiO2 dispersion (1:1 weight ratio) onto a PVDF filter, exploiting the self-assembling properties of GO. Morphological and microstructural characterization analyses were performed through X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive X-Ray spectroscopy (EDX) and SEM microscopy, with the aim of evaluating the effects of TiO2 incorporation within rGO layers. The filtration properties of the membranes were tested with some model solutions. In particular, the removal efficiencies of some heavy metal ions (Fe3+, Cu2+, Ni2+ and Mn2+) commonly found in wastewater from the mining industry and of an organic pesticide (Alachlor PESTANAL®) were assessed. The possible future application of this technology would be in photocatalytic membrane reactors, in order to exploit both the capability of reduced graphene oxide to capture inorganic pollutants and the photocatalytic properties of titanium dioxide for the degradation of organic substances.

A causa del continuo aumento della popolazione mondiale e della crescita dell’industrializzazione, la scarsità d’acqua e la produzione di acque reflue inquinate costituiscono dei problemi sempre più attuali. Tra le nuove tecnologie, l’utilizzo di membrane rappresenta una soluzione sostenibile, a basso costo e a basso consumo di energia per un’efficace purificazione dell’acqua. Negli ultimi anni, l’ossido di grafene e la sua forma ridotta hanno riscosso notevole interesse in questo campo per via delle promettenti proprietà di filtrazione. In questo lavoro sono state realizzate delle membrane self-assembling composite a base di ossido di grafene ridotto e biossido di titanio per poterne valutare la capacità di rimuovere gli inquinanti dalle acque reflue. L’ossido di grafene è stato ridotto utilizzando l’acido ascorbico come agente riducente, in rapporto 10:1 in peso, in modo da ottenere un grado di riduzione medio-alto. Le membrane sono state poi realizzate attraverso un processo di filtrazione in vuoto di una dispersione rGO/TiO2, in rapporto 1:1 in peso per sfruttare le proprietà self-assembling dell’ossido di grafene, su un filtro di PVDF. La caratterizzazione morfologica e microstrutturale delle membrane è stata eseguita attraverso diffrazione dei raggi-X (XRD), spettroscopia EDX e microscopia SEM per osservare gli effetti dell’introduzione del biossido di titanio tra i piani di grafene ossido ridotto. Le proprietà di filtrazione sono state valutate sfruttando delle soluzioni modello contenenti alcuni ioni metallici (Fe3+, Cu2+, Ni2+ and Mn2+), tipicamente presenti nelle acque reflue dell’industria mineraria, e un pesticida organico (Alachlor PESTANAL®). L’obiettivo di questa ricerca consiste nella possibile futura applicazione delle membrane composite all’interno di reattori fotocatalitici, così da sfruttare al meglio la capacità dell’ossido di grafene ridotto di catturare gli inquinanti inorganici e le proprietà fotocatalitiche del biossido di titanio per la degradazione delle sostanze organiche.