Zaawansowane techniki badania in situ zjawiska sorpcji bakterii na powierzchni nowych nanohybrydowych sorbentów grafenowych w układach wodnych

Numer: UMO-2013/09/D/ST8/04001
Program/Konkurs: Sonata 5
Jednostka finansująca: NCN
Kierownik projektu: dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska
Funkcja: lider
Czas realizacji: 2014-2017

Opis
Poznanie podstaw zjawiska sorpcji bakterii na powierzchni sorbentów grafenowych będzie niezwykle ważne nie tylko w filtracji wody ale także w takich dyscyplinach jak: ochrona środowiska, medycyna a nawet inżynieria biomedyczna i biotechnologia.
W ramach projektu opracowano nanohybrydowe układy bioaktywne i biosorpcyjne z udziałem grafenu, wytworzone metodą kowalencyjnej modyfikacji powierzchni grafenu nanocząstkami. Tematyka prowadzonych prac dotyczyła modyfikacji materiałów grafenowych z wykorzystaniem nanocząstek, badań bioaktywności i związanego z nią zjawiska biosorpcji, badań ich potencjału zeta oraz opracowania modelu dla układów niesferycznych. Do szczególnych osiągnięć projektu w tym obszarze zaliczyć można:

1. Zaprojektowanie struktury i składu chemicznego nanokompozytowych układów z udziałem materiałów grafenowych tj. układów RGO/tlenek metalu (Al2O3, TiO2, SiO2, ZnO2), RGO/TiO2-Me a także układów RGO/Al2O3-Me, charakteryzujących się właściwościami bioaktywnymi i biosorpcyjnymi.
2. Opracowanie innowacyjnych metod kowalencyjnej modyfikacji materiałów grafenowych nanocząstkami (tj. metody „suchej” i „uproszczonej” zol-żel) oraz wykonanie optymalizacji parametrów syntezy. Uzyskane wyniki pozwoliły na opracowanie zgłoszeń patentowych, dotyczących wytwarzania nanokompozytu RGO/Al2O3 dwiema metodami, oraz nanokompozytów RGO/TiO2, RGO/TiO2-Me i RGO/Al2O3-Me.
3. Potwierdzenie istnienia kowalencyjnego połączenia pomiędzy powierzchnią materiału grafenowego a nanocząstkami, oraz zaproponowanie mechanizmu wytwarzania nanokompozytowych układów RGO/TiO2, RGO/TiO2-Me oraz RGO/Al2O3 i RGO/Al2O3-Me, związanego z redukcją in situ GO do RGO.
4. Wykonanie kompleksowej i wnikliwej charakteryzacji morfologii, struktury oraz właściwości fizykochemicznych wytworzonych nanokompozytowych układów bioaktywnych i biosorpcyjnych z udziałem materiałów grafenowych.
5. Zbudowanie unikatowego warsztatu badawczego, pozwalającego na analizę właściwości bioaktywnych oraz biosorpcyjnych układów nanokompozytowych z udziałem grafenu, opartego na doświadczeniu i nowatorskiej metodyce badawczej.
6. Wykazanie właściwości biobójczych dla układu nanokompozytowego, stanowiącego RGO modyfikowany nanocząstkami Al2O3-Ag, SiO2-Ag oraz ZnO2-Ag.
7. Wykazanie efektywnych właściwości biosorpcyjnych dla układu nanokompozytowego, stanowiącego RGO modyfikowany nanocząstkami Al2O3-Au oraz Al2O3-Ag.

Wybór nanokompozytu o składzie RGO/Al2O3-Ag jako najbardziej efektywnego materiału pod względem zakładanych właściwości bioadsorpcyjnych jak i biobójczych. Połączenie tych dwóch parametrów pozwoliło na skuteczne przyciąganie komórek bakteryjnych na powierzchnię nanokompozytów RGO/Al2O3-Ag a następnie ich całkowitą dezaktywację.

Wytworzone materiały zbadano w kompleksowy i wnikliwy sposób, co pozwoliło na potwierdzenie założonych właściwości i wybór spośród badanej grupy układów, charakteryzujących się optymalnymi właściwościami bioaktywnymi i biosorpcyjnymi. Tym samym, potwierdzono zasadność zastosowania nanokompozytowych układów bioaktywnych i biosorpcyjnych z udziałem grafenu, w filtracji wody.
Osiągnięcia naukowe niniejszego projektu umożliwią także w przyszłości zaprojektowanie i wytworzenie nanohybrydowych grafenowych materiałów sorbcyjnych nowej generacji, charakteryzujących się stabilnymi i łatwymi w manipulacji właściwościami filtracyjnymi, dzięki którym, będą one mogły znaleźć zastosowanie w różnych technologiach filtracji wody.