Zastosowanie kompozytowej membrany Ti3C2Tx/polilaktydowej z nanocząstkami srebra do oczyszczania rzeczywistych ścieków szpitalnych

Kontekst badania

Wzrastająca urbanizacja i industrializacja spowodowały zwiększenie ilości ścieków o znacznym ładunku nowych i trudnych do utylizacji zanieczyszczeń, które prowadzą do licznych problemów środowiskowych. Ścieki szpitalne zawierają zanieczyszczenia, takie jak antybiotyki, liczne mikroorganizmy, w tym bakterie oporne na antybiotyki, co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego. Obecne technologie oczyszczania ścieków, w tym membrany kompozytowe, mają ograniczone możliwości usuwania takich zanieczyszczeń. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na nowe rozwiązania, takie jak membrany polimerowe wzbogacone o nanocząstki, które mogą efektywnie eliminować zanieczyszczenia z wód szpitalnych.

Cele i hipotezy

Celem badań było opracowanie i ocena kompozytowych membran na bazie polilaktydu (PLA) wzbogaconych o nanocząstki srebra oraz MXene (Ti3C2Tx). Hipoteza badawcza zakładała, że membrany wzbogacone o MXene i srebro poprawią hydrofilowość oraz skuteczność antybakteryjną w oczyszczaniu rzeczywistych ścieków szpitalnych. Badano wpływ różnych stężeń nanokompozytów na strukturę chemiczną, morfologię i wydajność membran.
Przeprowadzone badania przyniosły obiecujące wyniki, które wskazują na znaczne ulepszenie zarówno przepuszczalności wody, jak i zdolności antybakteryjnych tych materiałów w porównaniu z membranami bazowymi.

Metody badawcze

W eksperymencie syntetyzowano MXene oraz nanokompozyty srebro/MXene, a następnie inkorporowano je do polimerowych membran PLA za pomocą metody odwróconej fazy indukowanej rozpuszczalnikiem (NIPS). Charakterystyka membran obejmowała analizę rentgenowską (XRD), spektroskopię w podczerwieni (FTIR), mikroskopię elektronową (SEM) oraz testy potencjału zeta. Membrany przetestowano na próbkach rzeczywistych ścieków szpitalnych, mierząc przepuszczalność wody oraz efektywność w usuwaniu bakterii.

Rezultaty badań i ich interpretacja

a) Przepuszczalność czystej wody (PWP) -Jednym z głównych celów badania było sprawdzenie, jak inkorporacja nanokompozytów MXene i srebra wpływa na zdolność membran do przepuszczania wody. Uzyskane wyniki potwierdziły tą hipotezę. Przepuszczalność H2O dla czystej membrany PLA wynosiła 1512 Lm²/h bar. Wprowadzena modyfikacja zwiększyła tę wartość do 2235 Lm²/h bar, a dodanie srebra dodatkowo podniosło ją do 3108 Lm²/h bar (PLA/AgMX4). Wyższa przepuszczalność jest wynikiem zwiększonej hydrofilowości oraz optymalizacji struktury porów membran, co sprzyja szybszemu przepływowi wody przez membrany.

b) Skuteczność membran w usuwaniu bakterii była kolejnym aspektem badania. Badania wykazały, że czysta membrana PLA była w stanie odrzucić około 66% całkowitej liczby bakterii (TBC). Jednak wprowadzenie MXene znacząco poprawiło tę skuteczność do 86% dla membrany PLA/MX4. Lepsze rezultaty osiągnięto po dodaniu srebra. Membrana PLA/AgMX4 była w stanie usunąć aż 97% bakterii. Oznacza to, że nanocząstki srebra skutecznie zwiększają właściwości antybakteryjne membrany, głównie poprzez ich działanie bakteriobójcze, co w połączeniu z efektem filtracji zapewnia wysoką skuteczność oczyszczania.

c) Zmiany w morfologii i strukturze porów membran – Obserwacje przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) potwierdziły, że membrany wzbogacone w MXene i srebro uzyskały bardziej porowatą strukturę niż czyste membrany PLA. Wprowadzenie tych nanomateriałów spowodowało wzrost liczby i rozmiaru porów, co wpływało na lepsze właściwości filtracyjne. W szczególności membrany PLA/AgMX wykazywały wyraźnie powiększone i bardziej jednolite pory, co sprzyjało większym przepływom wody oraz lepszej wydajności w oczyszczaniu ścieków.

d) Pomiar potencjału zeta membran wykazał, że membrany z MXene miały bardziej ujemne wartości potencjału zeta (do -28,2 mV), co sprzyjało lepszemu odpychaniu zanieczyszczeń organicznych i bakterii o ładunku ujemnym. Natomiast dodatek srebra zmniejszył ujemny potencjał zeta (do -22,8 mV), co wpłynęło na zmniejszenie odpychania elektrostatycznego, ale dzięki właściwościom biobójczym membrany nadal wykazywały wysoką skuteczność w usuwaniu bakterii.

e) Badania wykazały, że membrany wzbogacone o MXene i srebro wykazywały większą hydrofilowość, co przekładało się na lepsze właściwości filtracyjne. Dla czystej membrany PLA kąt zwilżania wynosił 82,3°, co wskazuje na jej hydrofobowy charakter. Wprowadzenie MXene obniżyło ten kąt do 74,1°, a dodanie srebra dodatkowo obniżyło go do 72,4°. Zmniejszenie kąta zwilżania wskazuje na zwiększoną zdolność membran do przyciągania wody, co jest korzystne dla ich wydajności w filtracji.

f) Testy z wykorzystaniem rzeczywistych ścieków szpitalnych wykazały, że membrany PLA/AgMX są również efektywne w oczyszczaniu tych mediów. Wartości permeabilności dla ścieków wzrosły wraz ze wzrostem stężenia MXene i srebra, a dla membrany PLA/AgMX4 osiągnęły 238,7 Lm²/h bar, co potwierdza lepsze właściwości filtracyjne i skuteczność oczyszczania tych zanieczyszczeń.

g) Testy długoterminowe wykazały, że membrany PLA/AgMX4 były bardziej odporne na zanieczyszczenia (biofouling) w porównaniu z czystymi membranami PLA. Skuteczność odzyskiwania przepływu (FRR) dla membrany PLA/AgMX4 wynosiła 81,61% po czterech cyklach filtracyjnych, co oznacza, że membrana ta lepiej odzyskuje swoje właściwości filtracyjne po procesie czyszczenia. Wskaźnik nieodwracalnego zanieczyszczenia (Rirr) dla tej membrany był również niższy niż dla czystej membrany PLA, co potwierdza jej lepszą odporność na zanieczyszczenia organiczne i bakteryjne.

Ograniczenia zakresu badawczego

W prowadzonych badaniach uzyskano obiecujące wyniki dla membran PLA/MXene i PLA/AgMX w oczyszczaniu rzeczywistych ścieków szpitalnych. Zauważono jednak kilka ograniczeń, które mogą wpłynąć na ogólną skuteczność tych materiałów i ich potencjalne zastosowanie w rzeczywistych warunkach.

Brak pełnego zrozumienia mechanizmów działania – badania dostarczają informacji na temat wpływu nanocząstek srebra i MXene na poprawę wydajności membran, jednak mechanizmy ich oddziaływania na poziomie molekularnym, zwłaszcza w kontekście długotrwałego działania, nie zostały w pełni wyjaśnione. Nie zostało więc zbadane, w jaki sposób zmienia się struktura porów membran i ich właściwości mechaniczne w miarę starzenia się materiałów w trakcie eksploatacji. Lepsze zrozumienie tych mechanizmów mogłoby pomóc w optymalizacji konstrukcji i składu membran.

Zakres testów w ograniczonym środowisku – badania prowadzono na próbkach ścieków pochodzących jedynie z wybranych szpitali w Zjednoczonych Emiratach Arabskich (ZEA). Ze względu na regionalną specyfikę ścieków, wyniki mogą nie być bezpośrednio przekładalne na inne lokalizacje o różnej kompozycji zanieczyszczeń. Skład ścieków może się znacznie różnić w zależności od kraju, regionu, rodzaju placówki medycznej oraz stosowanych w niej leków i procedur. To oznacza, że membrany mogą działać inaczej w miejscach, gdzie występują inne zanieczyszczenia, co wymagałoby dodatkowych badań na próbkach z różnych źródeł, by określić ich szerszą użyteczność.

Długoterminowa wydajność i trwałość – chociaż badania oceniały membrany pod kątem kilku cykli filtracyjnych, nie zbadano w pełni ich długoterminowej wydajności w rzeczywistych, ciągłych warunkach operacyjnych. Ograniczona liczba cykli testowych mogła nie ujawnić pełnego potencjału degradacji membran, ich odporności na długotrwałe zanieczyszczenie (biofouling), czy stopnia utraty ich właściwości mechanicznych i chemicznych w dłuższym okresie użytkowania. Membrany muszą być oceniane w bardziej realistycznych warunkach, np. w ciągłym przepływie ścieków, aby sprawdzić ich trwałość i skuteczność w czasie.

Złożoność i koszt syntezy nanomateriałów = synteza nanokompozytów MXene oraz srebra jest procesem trudnym i kosztownym. Chociaż uzyskano bardzo dobre wyniki filtracyjne i antybakteryjne, w rzeczywistości produkcja na większą skalę może okazać się ekonomicznie nieopłacalna lub trudna do wdrożenia na szeroką skalę, szczególnie w mniej zamożnych regionach świata. Optymalizacja procesu produkcji tych membran, zarówno pod kątem kosztów, jak i czasu, jest konieczna, aby sprawdzić ich opłacalność komercyjną.

Wpływ na środowisko i bezpieczeństwo – pomimo, że polilaktyd (PLA) jest biopolimerem, a więc materiałem przyjaznym dla środowiska, wprowadzenie nanocząstek srebra do membran może budzić obawy dotyczące ich potencjalnego wpływu na środowisko. Srebro, choć skuteczne jako środek antybakteryjny, może stanowić zagrożenie dla ekosystemów wodnych, szczególnie w przypadku jego przedostania się do środowiska w wyniku degradacji membran. Badania nie zajęły się szczegółowo możliwymi skutkami ubocznymi związanymi z wprowadzeniem nanocząstek srebra do systemów wodnych oraz ich potencjalnym wpływem toksycznym na organizmy wodne. Konieczne są dodatkowe badania oceniające ewentualne ryzyko ekologiczne związane z długoterminowym stosowaniem tych membran.

Optymalizacja regeneracji i czyszczenia membran – choć badania wykazały, że membrany PLA/AgMX są bardziej odporne na zanieczyszczenia i łatwiejsze w czyszczeniu niż czyste membrany PLA, regeneracja membran była testowana tylko w warunkach laboratoryjnych i na ograniczonej liczbie cykli filtracyjnych. W praktyce, membrany stosowane w przemysłowych systemach oczyszczania muszą przejść wielokrotne procesy regeneracji i czyszczenia, co może wpływać na ich trwałość oraz długoterminową wydajność. Brak jest danych na temat potencjalnego zmniejszenia wydajności po kilkudziesięciu cyklach regeneracyjnych, co wymaga dalszych badań.