Proiectarea rațională a membranelor compozite pentru îndepărtarea avansată a metalelor grele din apele uzate I-ON-MEM

  • Finantare: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI)
  • Program: PN III- Program Resurse Umane – Tinere Echipe de Cercetare 2021
  • Numarul proiectului: PN-III-P1-1.1-TE-2021-0915
  • Domeniul de cercetare – Materiale noi
  • Titlul proiectului: “Proiectarea rațională a membranelor compozite pentru îndepărtarea avansată a metalelor grele din apele uzate” – I-ON-MEM
  • Contract de finantare: Nr. 135/13.05.2022
  • Valoare totala a contractului: 450.000 RON
  • Finantare de la Bugetul de Stat: 450.000 RON
  • Durata proiectului: 24 luni
  • Perioada de implementare a proiectului: 13.05.2022 – 12.05.2024
  • Contractor: Institutul National pentru Cercetare & Dezvoltare in Chimie si Petrochimie – ICECHIM, Bucuresti
  • Director de proiect: Dr. ing. Anita-Laura CHIRIAC   ()

REZUMATUL PROIECTULUI

            Poluarea apei cu ioni de metale grele devine o problema majora de mediu datorita toxicitatii ridicate a unora din aceste elemente si a tendintei acestora de a se acumula prin intermediul lantului alimentar afectand toate organismele vii prezente intr-un sistem ecologic. Proiectul propune un nou concept pentru membranele de tratare a apei cu caracteristici îmbunătățite în ceea ce privește hidrofilicitatea, porozitatea și suprafața specifică și capacitate mai mare de reținere la o concentrație scăzută de ioni de metale grele în efluent. În acest sens, propunerea I-ON-MEM descrie o metodă fezabilă și originală de obtinere a membranelor compozite performante cu cost scazut, pe baza de MWCNT funcționalizat și formulări de terpolimeri pentru tratamente avansate ale apelor uzate. O parte originală a proiectului se referă la selectarea formulărilor terpolimerice pentru prepararea unei matrici 100% sintetice sau bio-prietenoase. Un alt aspect original va fi reprezentat de abordarea efectelor posibile ale diferiților agenți de funcționalizare și metode asupra compatibilitatii dimensiunii porilor a membranelor copolimer-WMCNT și a eficienței de reținere a diferitelor metale grele. Se vor efectua funcționalizari ale MWCNT non-covalente prin surfactanți și prin acoperire prin sililare cu diverși agenți organosilanici. Rezultatele vor fi diseminate, dupa cum urmeaza: cel putin 3 articole in reviste cotate ISI; cel putin 3 comunicari stiintifice, precum si brevetarea elementelor originale.


OBIECTIVE

Scopul proiectului I-ON-MEM il reprezinta găsirea de soluții adecvate pentru tratarea fluxurilor de apă diluate contaminate cu metale cu eficiențe de îndepărtare de peste 90%, folosind doar tehnologii cu membrane. În acest sens, obiectivul general al proiectului va fi sinteza membranelor compozite originale pentru reținerea avansată a metalelor grele în apele uzate prin electrodializă.


REZULTATE ESTIMATE

Principalele rezultate ale proiectului se referă la (i) Modele experimentale pentru MWCNTs funcționalizate, (ii) Protocol experimental pentru testarea membranelor prin electrodializă folosind ape uzate sintetice contaminate cu metale grele, (iii) Modele experimentale pentru membrane simple și compozite, (iv) Tehnologie de Laborator pentru prepararea membranelor compozite, care vor fi validate prin (i) 3 comunicări științifice la simpozioane/conferințe internaționale, (ii) 3 lucrări ISI (trimise/acceptate/publicate) și (iii) o cerere de brevet.


ETAPA I Stabilirea conditiilor pentru sinteza membranelor compozite pe baza de terpolimeri si nanotuburi de carbon (MWCNTs) functionalizate si caracterizarea complexa a acestora

PERIOADA: 13.05.2022-31.12.2022

OBIECTIVE

Act 1.1. – Studii privind sinteza si caracterizarea membranelor simple pe baza de formulari de terpolimeri.

Act 1.2. – Functionalizarea nanotuburilor de carbon (MWCNTs) utilizand metode non-covalente.

Act 1.3. – Sinteza si caraterizarea membranelor compozite pe baza de retete de terpolimeri si nanotuburi de carbon (MWCNTs) functionalizate.

Act 1.4. – Activitati de comunicare si de redactare a lucrarilor stiintifice cu respectarea conditiilor de Open Acces.


REZUMAT

Scopul proiectului I-ON-MEM il reprezinta gasirea de solutii adecvate pentru tratarea fluxurilor de apa diluate contaminate cu metale cu eficiente de indepartare de peste 90%, folosind doar tehnologii cu membrane. Studiul de cercetare a avut ca obiectiv principal va fi sinteza membranelor compozite

originale pentru reținerea avansată a metalelor grele în apele uzate prin electrodializă. In acest sens, au fost stabilite urmatoarele obiective secundare:

OS1. Studii sinteza si caracterizarea membranelor simple pe baza de formulari de terpolimeri

OS2. Functionalizarea nanotuburilor de carbon (MWCNT) utilizand metode non-covalente

OS3. Sinteza si caraterizarea complexa a membranelor compozite pe baza de terpolimeri si nanotuburi de carbon (MWCNT) functionalizate.

OS1. In vederea obtinerii de membrane sintetice simple au fost studiate mai multe solutii de diferite concentratii de polimeri cat si diferite rapoarte intre terpolimeri. Membranele au fost preparate prin metoda inversiei de faza umeda. Membranele sintetice au fost analizate din punct de vedere al comportamentului reologic dar si al permeabilitatii in vederea alegerii compozitiei optime de membrana sintetica simpla. Membrana sintetica cu compozitia de 70% Copolimer acrilonitril-acid acrilic (AN-AA), 7.5% alcool polivinilic (APV) si 22.5% polisulfona (PSf)  si biomembrana cu compozitia 02% alginal de sodiu (SA), 0.65% alcool polivinilic (APV) si 0.05% bioceluloza (BC) au fost alese sa fie utilizate in experimentarile ulterioare in scopul obtinerii de membrane compozite.

OS2. In vederea functionalizarii MWCNT cu surfactanti au fost realizate functionalizari atat cu agentul tensioactiv Bromura de cetiramoniu (CTAB), cat si cu Clorura de behentriamoniu (BTAC). MWCNT astfel functionalizate au fost caracterizate prin difuzia luminii (DLS) si Spectroscopia Raman, care a indicat faptul ca in cazul probelor functionalizate cu surfactant raportul ID/IG a crescut semnificativ si s-a datorat unei bune functionalizari si atasarii moleculelor de surfactant de CNT prin forte electrostatice sau Van der Waals, dar si cresterea gradului de dezordonare din structura. In vederea functionalizarii nanotuburilor de carbon prin acoperire cu organosilani au fost utilizati silani cu diferite grupari (amino, carboxi, sulf) – 3-Aminopropiltriethoxisilan (APTES); 3-(Trimethoxisilil)propil methacrilat (MAPTES) si (3-Mercaptopropil)trimethoxisilan  (MPTMS). Acest tip de functionalizare s-a realizat prin 2 metode, care s-au diferentiat prin prezenta si lipsa mediului de reactie. Produsii MWCNT functionalizati obtinuti au fost intens caracterizati prin FTIR, XPS, XRD, Raman, TGA/DTG si SEM. Toate analizele au dovedit ca procesul de functionalizare a condus la o retea mai putin dezordonata, atasarea sau intrepatrunderea moleculelor de surfactant/silan cu CNT producandu-se.

OS3. In vederea obtinerii de membrane compozite, un procent de 0.5% CNT nemodificat sau functionalizat prin ambele metode a fost ales drept optim. Astfel, membranele compozite au fost investigate din punct de vedere al compozitiei chimice (FTIR), hidrofilicitatii (unghi de contact), permeabilitatii (flux apa), stabilitatii termice (TGA/DTG), morfologiei (SEM) si au prezentat caracteristici imbunatatite comparativ cu membranele de referinta si o crestere semnificativa a proprietatilor prin introducerea unor MWCNT functionalizate.

            Au fost elaborate model experimentale de obţinere a membranelor simple sintetice si pe baza de biopolimeri, de functionalizare a MWCNTs prin metode non-covalente si de obtinere a membranelor compozite pe baza de polimeri sintetici si din surse bio si nanotuburi functionalizate. Rezultatele originale au fost diseminat prin participarea la 2 conferinte (1 nationala si 1 internationala) dar si prin publicarea a 2 articole ISI (publicate in revist indexate în Web of Science din zona roşie (Q1), încadrate ca article si review). De asemenea a fost realizat si site-ul proiectului I-ON-MEM.

Gradul de realizare a obiectivelor a fost de 100%.


DISEMINARE

In cadrul etapei I/2022 pentru indeplinirea livrabilelo din planul de realizare si pentru prezentarea rezultatelor obtinute au fos realizate urmatoarele actiuni de diseminare, 2 articol publicate, care prezinta cercetarile ce au stat la baz activitatilor proiectului si 2 participari su forma unor comunicari tip poster sau comunicari orale in cadrul unor conferinte internationale si nationale, cu vizibilitate remarcabila:

Articol publicate

1. Miron, A.; Sarbu, A.; Zaharia, A.; Sandu, T.; Iovu, H.; Fierascu, R.C. Neagu, A.-L.; Chiriac, A.-L.*; Iordache, T.-V. A Top-Down Procedure for Synthesizing Calcium Carbonate-Enriched Chitosan from Shrimp Shell Wastes. Gels 2022, 8(11), 742. https://doi.org/10.3390/gels8110742

2. Teodor Sandu, Andrei Sârbu, Simona Căprărescu, Elena-Bianca Stoica Tanța-Verona Iordache, Anita-Laura Chiriac*, Polymer Membranes as Innovative Means of Quality Restoring for Wastewater Bearing Heavy Metals. Membranes 2022, 12(12), 1179. https://doi.org/10.3390/membranes12121179

     Comunicari Stiintifice la conferinte nationale/internationale

1. Verona Iordache, Anamaria Zaharia, Ana-Mihaela Gavrila, Bianca Elena Stoica, Ana Lorena Ciurlica, Marinela Dumitru, Andreea Olaru, Andrei Sarbu, Laura Anita Chiriac, Quaternary Ammonium Functionalized-Clay Microparticles with Bactericidal Activity Applied for Wastewater Treatment, 22nd Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Sinaia, ROMANIA – 7-9 Septembrie, 2022. Poster

2. Andreea Miron, Ana-Lorena Neagu, Sorin Dolana, Anamaria Zaharia, Ana-Mihaela Gavrila, Andrei Sarbu, Tanta-Verona Iordache, Anita-Laura Chiriac, Beads based on sodium alginate and titania composites for heavy metals removal from simulated waste waters, CONFERINȚA NAȚIONALĂ DE CHIMIE, EDITIA XXXVI, Călimănești-Căciulata, 4-7 Octombrie 2022. Prezentare orala

Pentru o mai buna vizibilitate ideea Proiectului I-ON-MEM a fost expusa radioascultatorilor in emisiunea “Stiinta 360” de pe Radio Romania Cultural https://www.radioromaniacultural.ro/stiinta-360-30-noiembrie-2022-proiecte-complexe-derulate-la-icechim/