Reduced graphene oxide-tionite composite membranes: a new material for wastewater treatment

Fresh and potable water supplies are becoming increasingly harder to find, due to the growth of population and industrialization, combined to an insufficient management of available resources. One way to deal with this problem is to restore wastewater through the use of membrane-based technologies, with the aim of removing toxic pollutants like heavy metal ions, pesticides and herbicides. Among the membrane materials that have shown a great potential of application in this field, graphene-based ones have attracted a significant interest from researchers, due to their low cost, easy fabrication exploiting their self-assembly properties, and stability in water. In this work, reduced graphene oxide (rGO) composite membranes containing titanium dioxide or tionite were prepared and their adsorption properties towards aqueous solutions of metal ions (Fe3+, Mn2+, Ni2+, Cu2+) and organic pollutants (Alachlor Pestanal®, Methomyl®, Pyrimethanil® and Imidacloprid®) were tested. Three tests typology with more than one set-up were applied to both mono-ionic/-organic and mixed multi-ionic/-organic solutions: filtration, contact with or without stirring, and contact with stirring and exposure to UV light, so as to also perform a preliminary investigation of the photocatalytic properties of the membranes. The reduction of graphene oxide was performed in a controlled process involving the use of L-ascorbic acid as reducing agent, with the aim of achieving a medium-high degree of reduction that does not impair the self-assembly ability of the material, as well as of replacing more common, but also dangerous and toxic, reducing agents such as hydrazine. The introduction of titanium dioxide or tionite was intended to increase the potential photodegradation properties of this kind of membranes and, in the case of tionite, to valorise a waste material produced as a by-product of titanium dioxide fabrication. From the results, this approach seems to be promising for the removal of both inorganic and organic contaminants from wastewater in the adsorption tests, for what concern the photocatalytic tests the results are promising but more studies need to be performed.

A causa della attuale crescita demografica e dell’industrializzazione, unite a un'insufficiente gestione delle disponibili risorse d’acqua, l'approvvigionamento di acqua dolce e potabile sta diventando sempre più scarso. Un modo studiato per affrontare questo problema consiste nel ripristinare le acque reflue attraverso l'uso di membrane, con l'obiettivo di rimuovere inquinanti tossici come ioni di metalli pesanti, pesticidi ed erbicidi. Tra i materiali possibili per la creazione delle membrane è possibile citare quelli a base di grafene che hanno attirato un notevole interesse da parte dei ricercatori per l’applicazione in campo di trattamento di acque reflue per il loro basso costo, per la loro facilità di fabbricazione (essi sfruttano le proprietà di autoassemblaggio) e per la loro stabilità in acqua. In questo lavoro sono state preparate membrane composite di ossido di grafene ridotto (rGO) contenenti biossido di titanio o tionite e sono state testate le loro proprietà di adsorbimento verso soluzioni acquose di ioni metallici pesanti (Fe3+, Mn2+, Ni2+, Cu2+) e inquinanti organici (Alachlor Pestanal®, Methomyl®, Pyrimethanil® e Imidacloprid®). Soluzioni sia mono-ioniche/mono-organiche che miste multi-ioniche/-organiche sono state applicate in tre differenti prove: filtrazione, contatto con o senza agitazione, contatto con agitazione ed esposizione a luce UV, in modo da eseguire anche un preliminare studio delle proprietà fotocatalitiche delle membrane e non soltanto di adsorbimento. La riduzione dell'ossido di grafene è stata eseguita in un processo controllato che prevede l'uso di acido L-ascorbico come agente riducente, con l'obiettivo di ottenere un grado di riduzione medio-alto che non pregiudichi la capacità di autoassemblaggio del materiale, esso è usato in sostituzione di agenti riducenti più comuni, ma anche pericolosi e tossici, come l'idrazina. L'introduzione del biossido di titanio o della tionite ha lo scopo di aumentare le potenziali proprietà di fotodegradazione di questo tipo di membrane e, nel caso della tionite, di valorizzare un materiale di scarto prodotto della fabbricazione del biossido di titanio. Dai risultati, questo approccio sembra essere promettente per la rimozione di contaminanti sia inorganici che organici dalle acque reflue trattate con test di adsorbimento. Per quanto riguarda invece i test fotocatalitici i risultati al momento non sono buoni, ma sono molto promettenti quindi ulteriori prove andrebbero effettuate in futuro.