Reduced graphene oxide-titania coatings of self-assembling membranes and structured foams for wastewater treatment

The world population growth and its requirements to fulfill the wide range of human activities are putting pressure on the global water resources, generating the need of some effective wastewater treatments. Among the various techniques, photocatalysis with titanium dioxide (TiO2) is considered a promising and sustainable solution. However, limitations such as the large energy band gap of TiO2 and high raw material costs hinder its industrial application. This work aims to suggest and try some possible solutions to overcome these limitations, by means of a composite membranes made by reduced graphene oxide (rGO) with nano-powder of TiO2 or other photoactive material, such as sepiolite (SEP), and by means of composite coating on a support material of nano-powder of TiO2 and reduced graphene oxide (rGO). The membranes are self-standing materials, while the mixed coating is applied on a porous polyurethane (PU) foams by a simple, low-energy dip coating process. The effective combination of rGO and TiO2 nanoparticles is expected to increase the adsorption of pollutants and to optimize the photocatalytic activity, as rGO should reduce the band gap of TiO2. The work focuses on testing membranes and foams, to find the better system to perform the photocatalytic degradation of pollutants. Also the reusability of the samples is investigated. Three types of membrane were tested (rGO, rGO/TiO₂ 1:1 and rGO/SEP 1:1), four types of foams (PU, rGO, rGO/TiO₂ 1:1 and rGO/TiO₂ 1:3) and three types in the foam re-use (rGO, rGO/TiO₂ 1:1 and rGO/TiO₂ 1:3). The materials have been characterized by scanning electron and optical microscopy for morphology. The effectiveness in removing pollutants was measured by UV-Vis photo-degradation tests on rhodamine B (RhB) in a 3 mg L-1 aqueous solution. A visual comparison, between foams, was performed exploiting UV radiation at 366 nm, at which the rhodamine B is sensitive. The kinetics of the process was also investigated. The results highlight the limitations concerning the membranes, that are characterized by high losses of material, further contamination of the water and lower degradation power with respect to the PU coated foams; they demonstrate their potential as an innovative solution for water purification, particularly for the rGO/TiO2 1:3 ratio, which has demonstrated a complete degradation at the end of the test, both in the first and the second use.

La crescita della popolazione mondiale e la necessità di soddisfare un'ampia gamma di attività umane stanno mettendo sotto pressione le risorse idriche globali, generando il bisogno di trattamenti efficaci per il trattamento delle acque reflue. Tra le varie tecniche, la fotocatalisi con biossido di titanio (TiO₂) è considerata una soluzione promettente e sostenibile. Tuttavia, limitazioni come l'ampio band gap energetico del TiO₂ e gli elevati costi della materia prima ne ostacolano l'applicazione industriale. Questo lavoro si propone di avanzare e di tesare alcune possibili soluzioni per superare tali limiti, mediante membrane composite costituite da ossido di grafene ridotto (rGO) con nanopolveri di TiO₂ o altri materiali fotoattivi, come la sepiolite (SEP), e mediante un rivestimento composito,da applicare su un supporto, di nanopolveri di TiO₂ e ossido di grafene ridotto (rGO). Le membrane non necessitano di supporto, mentre il rivestimento misto viene applicato su schiume poliuretaniche (PU) porose tramite un semplice processo di dip coating (rivestimento per immersione) a basso consumo energetico. Si prevede che l'efficace combinazione di rGO e nanoparticelle di TiO₂ aumenti l'adsorbimento degli inquinanti e ottimizzi l'attività fotocatalitica, poiché l'rGO dovrebbe ridurre il band gap del TiO₂. Il lavoro si concentra sul collaudo di membrane e schiume, al fine di trovare il sistema migliore per eseguire la degradazione fotocatalitica degli inquinanti. Viene inoltre studiata la riutilizzabilità dei campioni. Sono stati testati tre tipi di membrane (rGO, rGO/TiO₂ 1:1 e rGO/SEP 1:1), quattro tipi di schiume (PU, rGO, rGO/TiO₂ 1:1 e rGO/TiO₂ 1:3) e tre varianti per il riutilizzo delle schiume (rGO, rGO/TiO₂ 1:1 e rGO/TiO₂ 1:3). I materiali sono stati caratterizzati mediante microscopia ottica ed elettronica a scansione per valutarne la morfologia. L'efficacia nella rimozione degli inquinanti è stata misurata mediante test di fotodegradazione UV-Vis sulla rodamina B (RhB) in una soluzione acquosa di 3 mg L⁻¹. È stato effettuato un confronto visivo tra le schiume sfruttando la radiazione UV a 366 nm alla quale è sensibile la rodamina B. È stata, infine, indagata anche la cinetica del processo. I risultati evidenziano i limiti relativi alle membrane, che sono caratterizzate da elevate perdite di materiale, ulteriore contaminazione dell'acqua e un potere di degradazione inferiore rispetto alle schiume in PU rivestite; queste ultime dimostrano invece il loro potenziale come soluzione innovativa per la purificazione dell'acqua, in particolare per il rapporto rGO/TiO₂ 1:3, che ha mostrato una degradazione completa al termine del test, sia nel primo che nel secondo utilizzo.