Ανάπτυξη νανοσύνθετων μεμβρανών για εφαρμογές σε κατεργασία νερού
Authors: Τουρνής Ιωάννης 
Published: February 2025

Το νερό είναι ένας σημαντικός φυσικός πόρος που επηρεάζει όλες τις καθημερινές πτυχές της ζωής. Ωστόσο, η υπέρμετρη χρήση νερού, λόγω της αύξησης του πληθυσμού και της κλιματικής αλλαγής, οδηγεί στην αύξηση αναζήτησής νέων υδάτινων πόρων. Ένας τρόπος αντιμετώπισης αυτού του ζητήματος αποτελεί η κατεργασία του νερού μέσω διεργασιών βασισμένων σε μεμβράνες με στόχο την επαναχρησιμοποίηση βιομηχανικών λυμάτων ή θαλασσινού νερού. Στην συγκεκριμένη εργασία, αναπτύχθηκαν καινοτόμες νανοσύνθετες μεμβράνες, οι οποίες εμφανίζουν ταυτόχρονα μέγιστη απόδοση και βέλτιστες ιδιότητες, όπως μηχανική και χημική αντοχή, αντιρρυπαντικές/ αντιβακτηριδιακές ιδιότητες, εκλεκτικότητα, κ.α., με στόχο την αντιμετώπιση κρίσιμων ζητημάτων κατά τη διαδικασία απόσταξης μέσω μεμβράνης (MD).Αναλυτικά, στο πρώτο τμήμα της διατριβής δόθηκε έμφαση στην ανάπτυξη αντιβακτηριακών υβριδικών νανοϋλικών (oxCNDs@PEI-TPPs), με βάση οξειδωμένους νανοδίσκους άνθρακα (oxCNDs) και παράγωγα της υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλενιμίνης) με μοριακό βάρος 1300 ή 5000 Da που φέρουν βουτυλο- ή δεκυλο- τριφαινυλοφωσφονικές ομάδες (PEI(1300)-TPP(C4), PEI(5000)-TPP(C4), PEI(1300)-TPP(C10) και PEI(5000)-TPP(C10)), με στόχο να χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια ως επικαλύψεις για την παρασκευή νανοσύνθετων μεμβρανών. Η επιτυχής πρόσδεση των PEI-TPPs πάνω στους oxCNDs επιβεβαιώθηκε χρησιμοποιώντας διάφορες φυσικοχημικές τεχνικές, όπως FTIR, Raman, ΧRD και μετρήσεις ζ-δυναμικού, ενώ η μορφολογία τους μελετήθηκε με μικροσκοπίες SEM και TEM. Στην συνέχεια, αξιολογήθηκαν ως προς την αντιβακτηριακή τους ικανότητα έναντι των κατά Gram (-) Escherichia coli (E. coli) και κατά Gram (+) Staphylococcus Aureus (S. aureus). Από τα αποτελέσματα συμπεραίνεται ότι όλα τα υβριδικά νανοϋλικά εμφανίζουν βελτιωμένες αντιβακτηριακές ιδιότητες σε σχέση με τα oxCNDs και ιδιαίτερα έναντι των κατά Gram (+) S. aureus βακτηρίων. Τέλος, αξιολογήθηκε η κυτταροτοξικότητα τους έναντι ευκαρυωτικών κυττάρων και διαπιστώθηκε ότι όλα τα υβριδικά νανοϋλικά δεν παρουσιάζουν τοξικότητα στις συγκεντρώσεις όπου εμφανίζουν αντιβακτηριακή δράση, με βέλτιστο το oxCND@PEI(1300)-TPP(C10).Στη συνέχεια, τα ανωτέρω υβριδικά νανοϋλικά χρησιμοποιήθηκαν για την επικάλυψη μεμβρανών πολυ(1,1-διφθοροαιθυλενίου) (PVDF) με την χρήση της μεθόδου της εναπόθεσης σε στρώσεις (layer-by-layer). Οι μεμβράνες αυτές χαρακτηρίστηκαν με διάφορες μεθόδους μικροσκοπίας SEM, προσδιορισμού γωνίας επαφής νερού, πίεσης εισόδου υγρού και πορώδους. Στην συνέχεια, η απόδοση των νανοσύνθετων μεμβρανών αξιολογήθηκε σε σύστημα απόσταξης μέσω μεμβράνης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη του στρώματος των oxCNDs ή oxCNDs@PEI-TPPs αυξάνει τόσο την παραγωγή όσο και την ποιότητα του νερού. Επίσης, εμφάνισαν βελτιωμένες αντιρρυπαντικές ιδιότητες έναντι πρότυπου ρυπαντή και συγκεκριμένα της αλβουμίνης ορού βοοειδών (BSA). Τέλος, μελετήθηκε η αντιβακτηριακή τους δράση έναντι των E. coli και S. aureus βακτηρίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι εμφανίζουν σημαντική αντιβακτηριακή δράση, κυρίως έναντι των S. aureus βακτηρίων, καθώς ανέστειλαν την ανάπτυξή τους κατά 75-85%. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής, πραγματοποιήθηκε αρχικά η σύνθεση των νανοσωματιδίων οξειδίου του πυριτίου με υπερφθοριωμένες αλκυλικές αλυσίδες (SiF-NPs). Η επιτυχής σύνθεσή τους πιστοποιήθηκε μέσω διάφορων τεχνικών χαρακτηρισμού, όπως SEM, TEM, AFM και TGA. Στη συνέχεια, τα SiF-NPs επιστρώθηκαν μέσω της τεχνικής της εναπόθεσης μέσω περιστροφής στην επιφάνεια πορώδους επίπεδης μεμβράνης πολυ(1,1-διφθοροαιθυλενίου-1,1,2,3,3,3-εξαφθοροπροπυλενίου) (PVDF-HFP). Οι ληφθείσες νανοσύνθετες μεμβράνες χαρακτηρίστηκαν με διάφορες τεχνικές, όπως SEM, TGA και μετρήσεις γωνίας επαφής υγρών, πίεσης εισόδου υγρού και πορώδους. Διαπιστώθηκε ότι η εισαγωγή των υπερφθοριωμένων αλκυλικών αλυσίδων στην επιφάνεια της μεμβράνης PVDF, οδήγησε τόσο σε σημαντική αύξηση της υδροφοβικότητας της μεμβράνης, καθιστώντας την υπερυδρόφοβη (γωνία επαφής νερού μεγαλύτερη από 170°), όσο και στην αύξηση των ελαιόφοβων ιδιοτήτων της. Στη συνέχεια, οι μεμβράνες PVDF-HFP και PVDF-HFP/SiF-NPs αξιολογήθηκαν σε σύστημα MD, όπου βρέθηκε ότι η προσθήκη των SiF-NPs, αυξάνει 3 φορές περίπου την παραγωγή καθαρού νερού σε σχέση με την αρχική μεμβράνη PVDF-HFP. Τέλος, η αξιολόγηση των μεμβρανών έναντι πρότυπου ρυπαντή BSA, έδειξε ότι η PVDF-HFP/SiF-NPs εμφανίζει βελτιωμένες αντιρρυπαντικές ιδιότητες σε σχέση με την αρχική. Συμπερασματικά, οι αναπτυχθείσες νανοσύνθετες μεμβράνες αποτελούν καινοτόμες και πολλά υποσχόμενες υποψήφιες για εφαρμογές ως μεμβράνες κατεργασίας νερού με απόσταξη μέσω μεμβράνης, καθώς οι τρέχουσες εμπορικές μεμβράνες παρουσιάζουν προβλήματα διαβροχής και ρύπανσης.