Modifica avanzata della superficie resistente alle (bio)incrostazioni della cavità in PTFE

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11871 (2023) Citare questo articolo

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Il trattamento superficiale della membrana per modificare la resistività anti-(bio)fouling svolge un ruolo chiave nella tecnologia delle membrane. Questo articolo riporta l'uso efficace della polimerizzazione superficiale stimolata dall'aria di nanoparticelle di ZnO incorporate in cloridrato di dopamina (NP di ZnO) per impedire l'idrofobicità intrinseca e la bassa resistività anti-(bio)fouling delle membrane a fibra cava di politetrafluoroetilene (PTFE) (HFM). Lo studio ha coinvolto l'uso di HFM in PTFE rivestiti con polidopamina (Pdopa), con e senza la presenza di una fornitura d'aria e con l'aggiunta di NP di ZnO. Sono state eseguite misurazioni del potenziale Zeta per valutare la stabilità della dispersione delle NP ZnO prima dell'immobilizzazione, mentre la caratterizzazione morfologica e la dipendenza dal tempo dello strato di crescita della Pdopa sono state illustrate mediante microscopia elettronica a scansione. La polimerizzazione superficiale della Pdopa e l'immobilizzazione delle NP ZnO sono state confermate mediante spettroscopia FT-IR ed EDX. La trasformazione delle caratteristiche superficiali del PTFE HFM in superidrofile è stata dimostrata attraverso l'analisi dell'angolo di contatto con l'acqua e la stabilità delle NP ZnO immobilizzate valutate mediante analisi ICP. I criteri anti-incrostazione e le prestazioni di resistività (bio)incrostazione delle membrane con superficie modificata sono stati valutati attraverso la determinazione del recupero del flusso dell'albumina sierica bovina nella filtrazione senza uscita, nonché la valutazione microbica in condizioni di contatto dinamico contro Staphylococcus spp. ed Escherichia coli, rispettivamente. Il rapporto di recupero della filtrazione e i risultati antimicrobici hanno suggerito effetti promettenti di modificazione della superficie sulle proprietà antivegetative del PTFE HFM. In quanto tale, il metodo rappresenta il primo utilizzo riuscito del rivestimento Pdopa stimolato dall'aria che incorpora NP di ZnO per indurre la modifica della superficie HFM del PTFE superidrofilo. Tale metodo può essere esteso alle altre membrane associate ai processi di trattamento delle acque.

Le membrane sono comunemente utilizzate nei sistemi di trattamento dell'acqua grazie al loro ingombro ridotto, ai costi operativi ragionevoli, all'elevata efficienza di separazione selettiva e all'elevata qualità del permeato finale1,2,3. La filtrazione a membrana è una tecnologia versatile che può essere accoppiata con altri sistemi di separazione dell’acqua, tra cui la micro e ultrafiltrazione nei bioreattori, dove rappresenta un sostituto autonomo dei chiarificatori secondari e della nanofiltrazione nel trattamento dell’acqua potabile4,5. Un ostacolo importante che impedisce lo sviluppo delle membrane come opzione principale nei sistemi di trattamento delle acque, tuttavia, è il (bio)fouling4,6.

L'imbrattamento della membrana è il problema più comune che riduce la produttività della membrana durante la filtrazione7. L'adesione di materia inorganica, la deposizione di residui organici, l'intrappolamento di substrati particolati e l'accumulo di microrganismi possono tutti creare uno strato di torta sulla superficie della membrana, portando al blocco dei pori, all'aumento della pressione transmembrana, all'aumento del consumo energetico, alla riduzione del flusso del permeato e funzionalità della membrana inefficiente4,7. Integrando i risultati pratici dell'ultrafiltrazione a membrana nei sistemi di bioreattori con modelli teorici di intasamento dello strato di torta, Yang et al.8 hanno concluso che tali strati di torta erano il principale incrostante delle membrane, mentre Wardani et al.9 hanno notato che il tasso effettivo di incrostazione era il risultato di una correlazione tra le proprietà intrinseche della membrana e la composizione del foulant.

Grazie all'ampia stabilità fisica e chimica, i polimeri organici sintetici vengono sempre più utilizzati come materie prime per la produzione di membrane a fibra cava per ultrafiltrazione (HFM)9,10. Ad esempio, il politetrafluoroetilene (PTFE) viene spesso utilizzato per le sue proprietà fisico-chimiche intrinseche comparativamente più elevate rispetto ad altri HFM convenzionali applicati per il trattamento dell'acqua. Il PTFE ha un'elevata resistività chimica che ne consente l'utilizzo in vari processi di trattamento dell'acqua, anche se esposto a sostanze aggressive o corrosive. Il PTFE mostra anche una tolleranza alle alte temperature che aiuta a resistere a temperature elevate senza comprometterne l'integrità fisica; e flessibilità che consente alle membrane sommerse di agitarsi e muoversi facilmente all'interno del sistema bioreattore senza timore di lacerarsi11. Per questi motivi, in questo studio è stato scelto il PTFE. Tuttavia, gli HFM in PTFE hanno caratteristiche idrofobiche che facilitano l'adsorbimento di proteine, acidi grassi e della maggior parte dei microrganismi filamentosi (MO) in un processo che contribuisce all'incrostazione della membrana11,12. La fase dominante di questi gruppi sporcanti è idrofobica, nel senso che viene attratta dalla superficie idrofobica della membrana organica13,14,15, aumentando così il tasso di incrostazione attraverso l'attaccamento alla superficie della membrana o rimanendo intrappolato all'interno dei pori della membrana12.