Desarrollo de membranas nano estructuradas por la ténica de electroestirado para su aplicación a la remediación de medio ambiente : influencia de la morfología en el mojado

• Autores: Torasso, Nicolás
• Año de publicación: 2023
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Goyanes, Silvia Nair
• Materia: ELECTROESTIRADO; ARSENICO; NANOPARTICULAS; BTEX; PVA; L-CISTEINA; NANOFIBRAS; SEPARACION ACEITE/AGUA; POLIMERIZACION POR PLASMA; ELECTROSPINNING; ARSENIC; NANOPARTICLES; BTEX; PVA; L-CYSTEINE; NANOFIBERS; OIL/WATER SEPARATION; PLASMA POLYMERIZATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El agua es un recurso fundamental para el desarrollo de la vida y la salud de los seres humanos. Sin embargo, el acceso universal al agua segura es una deuda pendiente en todas las sociedades del mundo y su disponibilidad está en riesgo debido al crecimiento poblacional, el cambio climático y su contaminación. Dada la importancia de este recurso, en la literatura se ha propuesto el uso de diferentes tipos de nanoestructuras como alternativas prometedoras para remediar el ambiente, con el fin de complementar o reemplazar a los métodos convencionales como la ósmosis inversa o la coagulación/floculación. Esta tendencia en el uso de nanoestructuras se debe a su alta eficiencia, bajo costo, carácter modular, reusabilidad, baja generación de residuos y elevada área superficial. En el amplio abanico que ofrece la nanotecnología para la remediación de aguas, se encuentran nanocompuestos, nanofibras, membranas nanoporosas, nanoestructuras catalíticas y nanopartículas adsorbentes. En esta tesis se desarrollaron diferentes técnicas de remediación de aguas basadas en el desarrollo, fabricación y aplicación de nanoestructuras poliméricas. Los primeros desarrollos fueron aplicados a la remoción de crudo en agua (cantidades del orden de 1 g/L), luego se continuó con la remoción de compuestos del grupo BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) en menor concentración (del orden de 10 mg/L) y se finalizó con el desarrollo de filtros para la remoción de metaloides y metales pesados a nivel de trazas (aprox. 10 – 1000 μg/L). A lo largo de la tesis, se fueron implementando nuevas estrategias de confinamiento de las nanoestructuras para evitar su migración al ambiente. Primero, se fabricaron nanopartículas poliméricas superhidrofóbicas sintetizadas por plasma (NPPP) y se evaluó su performance como sorbentes de petróleo en derrames en agua, para lo cual alcanzaron una altísima capacidad de adsorción. Las NPPP se utilizaron sueltas (en forma de polvo) o sobre un sustrato no tejido de polipropileno, con la finalidad de filtrar mezclas de agua y aceite en una configuración de tipo membrana. A pesar del excelente rendimiento de las NPPP, el uso de nanoestructuras sueltas puede generar un daño colateral debido a la filtración, derrame o acumulación de nanomateriales en el ambiente o el ser humano, cuya toxicidad e impacto todavía es desconocido. Por este motivo es crítico poder resolver estas problemáticas antes de que el uso de nanopartículas sea implementado a gran escala en el área de purificación de aguas. En ese sentido, el electroestirado (electrospinning) es una tecnología emergente que permite la fabricación de nanofibras poliméricas capaces de formar una estructura porosa y permeable, capaz de actuar como soporte de nanoestructuras. Combinada con activos adecuados, puede ser usada como membrana o filtro adsorbente con alta eficiencia y permeabilidad. De este modo, y con el fin de evitar la migración de las NPPP al medio, se fabricó una membrana bicapa depositando las NPPP sobre un mallado de nanofibras de PVA por electroestirado, con poros mucho más pequeños que los del no tejido de polipropileno. Este material resultó altamente efectivo para la remoción de compuestos orgánicos volátiles del agua (tolueno y xileno), en concentraciones por debajo de su límite de solubilidad. Posteriormente, se desarrollaron metodologías para inmovilizar adsorbentes dentro de las nanofibras de PVA, con el fin de remover arsénico. Se utilizaron en primera instancia nanopartículas de óxido de hierro, que resultaron altamente efectivas, logrando reducir la concentración de As(V) por debajo de 10 μg/L. Luego se utilizó L-Cisteína, una biomolécula que puede funcionalizar las cadenas de PVA, resolviendo definitivamente el problema de la liberación del activo adsorbente al medio. En vista del surgimiento de la pandemia de COVID-19 durante el transcurso de esta tesis, el último capítulo muestra el desarrollo de materiales para protección facial basados en el confinamiento, dentro de matrices poliméricas, de activos antivirales, antifúngicos y antibacteriales.
Water is a fundamental resource for the development of life and the health of human beings. However, universal access to safe water is an outstanding debt in all the societies of the world. Furthermore, availability of water is at risk due to population growth, climate change and pollution. For this reason, different types of nanostructures were proposed in the literature as a promising alternative to remedy the environment, owing to their efficiency, low cost, modularity, reusability, low waste generation, and high surface area. These benefits allow them to complement or replace conventional methods, such as coagulation/flocculation or reverse osmosis. Among the wide range offered by nanotechnology for water remediation, there are nanocomposites, nanofibers, nanoporous membranes, catalytic nanostructures, and adsorbent nanoparticles. In this thesis, different water remediation techniques were developed based on the development, manufacture, and application of polymeric nanostructures. The first developments were applied to the removal of crude oil in water (amounts in the order of 1 g/L). Then, compounds of the BTEX group (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) in lower concentrations (in the order of 10 mg/L) were removed. Finally, filters for the removal of metalloids and heavy metals at trace level (approx. 10 – 1000 μg/L) were developed. Throughout this thesis, new nanostructure confinement strategies were implemented to prevent their migration into the environment. First, superhydrophobic polymeric nanoparticles synthesized by plasma (NPPP) were manufactured and their performance as oil sorbents in water spills was evaluated, for which they reached a remarkably high adsorption capacity. NPPP were used loose (in powder form) or on a polypropylene non-woven substrate, in order to filter oil-water mixtures in a membrane-like configuration. Despite the excellent performance of the NPPP, the use of loose nanostructures can generate collateral damage due to the leakage, spillage or accumulation of nanomaterials in the environment or in humans, whose toxicity and impact is still unknown. For this reason, it is critical to be able to solve these problems before the use of nanoparticles is implemented on a large scale in the area of water purification. In this sense, electrospinning is an emerging technology that allows the manufacture of polymeric nanofibers capable of forming a porous and permeable structure, capable of acting as a support for nanostructures. Combined with suitable active ingredients, it can be used as a membrane or adsorbent filter with high efficiency and permeability. In this way, and to prevent the migration of the NPPP into the medium, a bilayer membrane was fabricated by depositing the NPPP on a mesh of PVA nanofibers by electrospinning, with much smaller pores than those of the polypropylene nonwoven. This material was highly effective for the removal of volatile organic compounds from water (toluene and xylene), in concentrations below their solubility limit. Next, novel methodologies were developed to immobilize adsorbents inside the PVA nanofibers, aimed at arsenic removal. In the first instance, iron oxide nanoparticles were used, which were highly effective, managing to reduce the concentration of As(V) below 10 μg/L. Then L-Cysteine was used, a biomolecule that can functionalize the PVA chains, definitively solving the problem of the release of the active adsorbent into the medium. In view of the emergence of the COVID-19 pandemic during the development of this thesis, the last chapter shows the development of materials for facial protection based on confinement, within polymeric matrices, of antiviral, antifungal and antibacterial active ingredients.
Fil: Torasso, Nicolás. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.