Ανάπτυξη νανοσύνθετων πολύ-λειτουργικών μεμβρανών και εφαρμογή τους σε περιβαλλοντικές διεργασίες

Abstract

In the context of this PhD thesis, porous composite oligo-layered and multi-layered ceramic substrate/graphene oxide (GO) films were successfully prepared through a facile chemical modification method, using short and long molecular linker chains with different functional groups. Ceramic substrates chemically modified with graphene oxide (GO) were laboratory-prepared α-alumina with high repeatability (Al2O3) and commercial ZrO2 cylindrical monoliths. The three different linking agents used were: (3-glycidoxypropyl) trimethoxysilane- GLYMO, (3-aminopropyl) triethoxysilane-APTES and (polydopamine-PDA). The possible morphological and structural characteristics of the pores of the deposited layers were investigated in depth in relation to the binding agent used, combining spectroscopic analyses, morphological analyzes and gas permeability measurements, which revealed the mechanism of gas diffusion through the porous structure under varying pressure and temperature conditions. In addition, an extensive combined study of He transmittance at 25 °C and water permeability was carried out to reveal the deposition morphology of GO on the ceramic substrate, the chemical bonding mode with the bonding agent, and the stability in water. Finally, chemically modified TiO2 nanocrystalline powders (rGO-TiO2, Fe-TiO2 and AgFe-TiO2) photoactive in the visible light region were prepared. Full spectroscopic and morphological characterizations were performed, as well as the evaluation of their photocatalytic properties in the methylene blue pollutant. In detail, oligo-layered graphene oxide (GO) films were prepared on porous ceramic substrates by simply immersing them in GO aqueous solutions. To increase the stability of the grown GO/ceramic composite films and to control the morphology and stacking quality of the formed layers, molecules with micro-chains ((3-glycidoxypropyl) trimethoxy silane- GLYMO, (3- aminopropyl) triethoxy silane-APTES) and macro-chains (polydopamine-PDA). A comparative study was carried out on the ability of the binding agents to enhance the interfacial adhesion between the ceramic surface and the GO deposit and the influence they had on the orientation and characteristics of the neighboring GO nanosheets that constituted the formed oligo-layers. Then, by percolating a GO/H2O suspension through the oligo-layer membranes, the corresponding multi-layer membranes were grown, while ethylenediamine (EDA) was used in the suspension as an effective molecular binding agent that strongly binds and locks the GO nanosheets. The determination of the best binding agent and the best approach was performed on macroporous α-alumina discs, due to the use of economical raw materials and the possibility of their fabrication in the laboratory with high reproducibility. To verify the concept on a larger scale, while investigating the effect of the porous substrate in terms of their micrometric roughness and surface chemistry, specific chemical modifications were replicated in a commercial monolithic channel with a ZrO2 microfiltration layer that yielded membranes with the best gas permeability/selectivity performance. XRD, Raman, ATR, FESEM, and XPS analyzes were conducted to study the structural, physicochemical, surface, and morphological properties of the GO-modified ceramic membrane composites, while the permeability results of various gases at various temperatures and transmembrane pressures were interpreted to shed light on the characteristics of resource structure. Regarding micro-chain linkers, the results confirm that GLYMO induces a denser and more uniform configuration of GO nanosheets within oligo-layered films. PDA had the same beneficial effect, as it is a macromolecule. Overall, this study shows that the development of membranes for gas separations, simply by immersing the chemically modified substrate in a GO suspension, is not a simple matter. The application of postfiltration contributed significantly to this goal, and the quality of the surface-deposited GO sheets depended on that of the chemically modified oligo-layer films. In addition, the permeability properties of the membranes were studied using helium at 25 °C as a probe substance and further analyzed in conjunction with the water permeability results. Helium measurements at 25 °C were chosen to avoid gas adsorption and surface diffusion mechanisms. This approach allowed conclusions to be drawn on the deposition morphology of the GO sheets on the ceramic substrate, the mode of chemical bonding with the bonding agent, and the stability of the deposited GO sheets. In particular, considering that the He permeability is mainly affected by the structural characteristics of the pores, the relative change in the pore size of the grown films compared to the original substrate was first estimated. This was achieved by interpreting the results through the Knudsen equation, which describes gas permeability as proportional to the third power of the pore radius. The calculated relative change in pore size was then entered into the Hagen–Poiseuille equation to predict the corresponding water permeability ratio of the GO films to the original substrate. The reason that the experimental water permeability values may deviate from the predicted ones is related to the different surface chemistry, i.e. the hydrophilicity or hydrophobicity that the composite membranes acquire after the chemical modification. Various characterization techniques were applied to study the morphological and physicochemical properties of the materials, such as FESEM, XRD, DLS and contact angle. Overall, the experimental results showed that the chemically attached GO sheets spread on the top surface of all the films through alternating regions of high and low GO density. Gas molecules can intercalate between the stacked nanosheets by penetrating through GO surface imperfections and are governed by the microporous diffusion mechanism. The low-density regions are characterized by looser binding of the stacked GO nanosheets, and the gas diffusion mechanism ranges from Knudsen to Poiseuille, depending on the distance between neighboring sheets. Therefore, the most effective binding agents are those that result in the dominance of high-density regions within the leaf structure. Spectroscopic analysis of the oligo-layer composite films showed that APTES is anchored to the ceramic surface through its alkoxy groups, with the aliphatic amine chain oriented perpendicular to the substrate surface and is a less effective bonding agent compared to GLYMO and the PDA. Instead, GLYMO was attached to two positions with its alkoxy- and ether groups, thus covering a larger area of the ceramic surface. This conformation resulted in a higher surface concentration of functional groups available for binding to GO. The same behavior was observed for the long PDA chains extending over the entire ceramic surface. These findings were further confirmed by helium permeability measurements at various transmembrane pressures and temperatures, where Al2O3 APTES GO exhibited Poiseuille flow characteristics. In contrast, GO oligolayer films with GLYMO and PDA grown on both types of substrates (Al2O3 and ZrO2), together with all multilayers, exhibited Knudsen diffusion characteristics, while the temperature dependence of the helium permeability revealed the complementary contribution of of diffusion on the microporous surface to the total flow. This feature was more evident for the GO/ceramic composite multilayer films. Finally, by comparing the He/CO2 and He/CH4 separation performance with the expected Knudsen selectivity and interpreting the possible mechanisms of microporous diffusion, it was found that the ZrO2 GLYMO GO-F membrane was able to significantly inhibit the diffusion of larger CH4 molecules. Hence, it is the membrane characterized by the largest extent of dense regions within the structure of the deposited GO sheets. All films presented a continuous layer of GO on their surface without cracks and holes. The thickness of the GO nanosheets for the oligo-layered films ranged from 38 nm to 200 nm, while for the multilayers it was about 4700 nm. Among the composite films, Al2O3 APTMS-GO presented the most negatively charged surface due to the way GO sheets were chemically anchored to the ceramic surfaces. In particular, the carboxyl groups and phenolic hydroxyl groups on the GO surface remained inactive, leading to the highly negative charge of the composite films through their ionization, while in the case of Al2O3 GPTMS-GO the OH groups on the GO surface were consumed in condensation reactions, leading at a lower ζ potential value than Al2O3 APTMS-GO. In addition, an extensive combined study of solar transmittance at 25 °C and water transmittance was carried out to reveal the deposition morphology of GO on the ceramic substrate, the chemical bonding mode with the cross-linking agent, and the stability in water. The results confirmed that, except for the ZrO2 GPTMS-GO and Al2O3 PDA films, all other composite films exhibited much higher hydrophilicity than the corresponding α-Al2O3 and ZrO2 substrates. The high hydrophilicity of ZrO2 GPTMS-GO-F and the sub-nanometer sheet packing of GO make it an effective nanofiltration membrane for many applications, provided it maintains its structure and performance for long periods of time in operation. Overall, tubular geometry was the best choice for tuning the pore size of nanofiltration membranes at the subnanometer scale, as ceramic tubes can withstand much higher values of transmembrane pressures compared to planar Al2O3 substrates. Regarding the chemically modified TiO2 powders with visible light photocatalytic activity, rGO-TiO2 was prepared by hydrothermal method, while Fe-TiO2 and AgFe-TiO2 powders were prepared by hydrolysis through the solution-gel method. Characterization was performed by XRD, Raman, SEM, XPS, DLS, UV-Vis and FTIR. In conclusion, the average crystallite size of all chemically modified powders was found to be in the nanoscale range. In detail, it was calculated to be 7.71 nm for Fe-TiO2, 15.75 nm for AgFe-TiO2 and 5.7 nm for rGO-TiO2. It was observed that rGO-TiO2 powder almost completely degrades methylene blue pollutant. In 150 min of visible light irradiation, MB was 90% degraded by rGO-TiO2, 70% for AgFe-TiO2 and 40% for Fe-TiO2. The AgFe-TiO2 sample and the rGO-TiO2 sample, which were studied in order of their kinetics, were both observed to best fit the pseudo-second-order reaction model, while for the Fe-TiO2 sample, the Langmuir-Hinshelwood model which describes the pseudo-first-order kinetic reaction best fits its photocatalytic behavior. Finally, concluding that the rGO-TiO2 sample presented the best photocatalytic properties, a composite ceramic membrane chemically modified with PDA and rGO-TiO2 was synthesized and characterized with full morphological and physicochemical characterization. Finally, a series of gas permeability and selectivity measurements were performed in: He, CO2 and CH4.The aim of the above thesis was to solve one of the most important problems in membrane technology related to the difficulty of incorporating graphene oxide (GO) into ceramic surfaces with stability. Ceramic substrates are the most suitable choice due to their durability and ability to operate in aggressive environments and high temperatures. Thus, the stability of GO and its excellent mechanical properties combined with the strength of the ceramic substrate form an ideal combination that promises membranes with extended lifetimes. Strong adhesion of the GO layer to the ceramic substrate is the only prerequisite to achieve this goal. Consequently, the correct selection of the binding agents is a critical factor for the successful functionalization of the substrate and the development of a durable membrane. Stability is very important for applications such as wastewater treatment and gas separation for applications such as fuel cells, natural gas separation and purification, biogas processing and purification, CO2 capture and storage, etc.

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, παρασκευάστηκαν με επιτυχία πορώδεις σύνθετες ολιγο-στρωματωματικές και πολύ-στρωματικές μεμβράνες κεραμικού υποστρώματος/οξειδίου του γραφενίου (GO) μέσω μιας εύκολης μεθόδου χημικής τροποποίησης, χρησιμοποιώντας μικρές και μεγάλες αλυσίδες μοριακών συνδετικών παραγόντων με διαφορετικές λειτουργικές ομάδες. Τα κεραμικά υποστρώματα που τροποποιήθηκαν χημικά με οξείδιο του γραφενίου (GO), ήταν από α-αλουμίνα που παρασκευάστηκε στο εργαστήριο με υψηλή επαναληψιμότητα (Al2O3) και εμπορικοί κυλινδρικοί μονόλιθοι ZrO2. Οι τρεις διαφορετικοί συνδετικοί παράγοντες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: (3-γλυκιδοξυπροπυλ)τριμεθοξυσιλάνιο-GLYMO, (3-αμινοπροπυλ)τριαιθοξυσιλάνιο-APTES και (πολυντοπαμίνη-PDA). Εξετάστηκαν σε βάθος τα πιθανά μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά των πόρων των εναποτιθέμενων στρωμάτων σε σχέση με τον χρησιμοποιούμενο συνδετικό παράγοντα, συνδυάζοντας φασματοσκοπικές αναλύσεις, μορφολογικές αναλύσεις και μετρήσεις διαπερατότητας αερίων, που αποκάλυψαν τον μηχανισμό διάχυσης αερίων μέσω της πορώδους δομής σε μεταβαλλόμενες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε εκτενής συνδυαστική μελέτη διαπερατότητας του ηλίου στους 25 °C και διαπερατότητας νερού για να αποκαλυφθεί η μορφολογία εναπόθεσης του GO στο κεραμικό υπόστρωμα, ο τρόπος χημικής σύνδεσης με τον συνδετικό παράγοντα και η σταθερότητα στο νερό. Τέλος, παρασκευάστηκαν χημικά τροποποιημένες νανοκρυσταλλικές σκόνες TiO2 (rGO-TiO2, Fe-TiO2 και AgFe-TiO2) φωτοενεργές στην περιοχή του ορατού φωτός. Πραγματοποιήθηκε πλήρες φασματοσκοπικός και μορφολογικός χαρακτηρισμούς των παραγόμενων κόνεων, και συνοδεύτηκε από την αποτίμηση των φωτοκαταλυτικών τους ιδιοτήτων στον ρύπο μπλε του μεθυλενίου. Αναλυτικά, οι ολιγο-στρωματωματικές μεμβράνες από οξείδιο του γραφενίου (GO) παρασκευάστηκαν πάνω σε πορώδη κεραμικά υποστρώματα μέσω της απλής βύθισής τους σε υδατικά διαλύματα GO. Για να αυξηθεί η σταθερότητα των αναπτυγμένων σύνθετων μεμβρανών GO/κεραμικού και να ελεγχθεί η μορφολογία και η ποιότητα στοίβαξης των σχηματισμένων στρωμάτων, χρησιμοποιήθηκαν και εξετάστηκαν ως διεπιφανειακοί συνδετικοί παράγοντες μόρια με μικρο-αλυσίδες ((3-γλυκιδοξυπροπυλ)τριμεθοξυσιλάνιο-GLYMO, (3-αμινοπροπυλ)τριαιθοξυσιλάνιο-APTES) και μακρο-αλυσίδες (πολυντοπαμίνη-PDA). Διεξήχθη συγκριτική μελέτη σχετικά με την ικανότητα των συνδετικών παραγόντων να ενισχύουν την διεπιφανειακή πρόσφυση μεταξύ της κεραμικής επιφάνειας και της απόθεσης GO και την επιρροή που είχαν στον προσανατολισμό και στα χαρακτηριστικά των γειτονικών νανοφύλλων του GO που συγκροτούσαν τα σχηματισμένα ολιγο-στρώματα. Στη συνέχεια, με τη διήθηση ενός εναιωρήματος GO/H2O μέσω των ολιγο-στρωματικών μεμβρανών, αναπτύχθηκαν οι αντίστοιχες πολύ-στρωματικές μεμβράνες, ενώ η αιθυλενοδιαμίνη (EDA) χρησιμοποιήθηκε στο εναιώρημα ως αποτελεσματικός μοριακός συνδετικός παράγοντας που συνδέει και κλειδώνει ισχυρά τα νανοφύλλα GO. Ο προσδιορισμός του καλύτερου συνδετικού παράγοντα και της καλύτερης προσέγγισης πραγματοποιήθηκε σε μακροπορώδεις δίσκους α-αλουμίνας, λόγω της χρήσης οικονομικών πρώτων υλών και της δυνατότητας κατασκευής τους στο εργαστήριο με υψηλή επαναληψιμότητα. Για την επαλήθευση της ιδέας σε μεγαλύτερη κλίμακα, ενώ διερευνήθηκε η επίδραση του πορώδους υποστρώματος όσον αφορά τη μικρομετρική τραχύτητα και την επιφανειακή χημεία τους, αναπαράχθηκαν σε εμπορικό μονολιθικό κανάλι με στρώση μικροφίλτρανσης ZrO2 συγκεκριμένες χημικές τροποποιήσεις που απέδωσαν μεμβράνες με την καλύτερη απόδοση διαπερατότητας/επιλεκτικότητας αερίων. Διεξήχθησαν αναλύσεις XRD, Raman, ATR, FESEM και XPS για να μελετηθούν οι δομικές, φυσικοχημικές, επιφανειακές και μορφολογικές ιδιότητες των σύνθετων κεραμικών μεμβρανών τροποποιημένων με GO, ενώ τα αποτελέσματα διαπερατότητας διαφόρων αερίων σε διάφορες θερμοκρασίες και διαμεμβρανικές πιέσεις ερμηνεύτηκαν για να ρίξουν φως στα χαρακτηριστικά της δομής των πόρων. Όσον αφορά τους συνδετικούς παράγοντες με μικρο-αλυσίδες, τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι το GLYMO προκαλεί πιο πυκνή και ομοιόμορφη διαμόρφωση των νανοφύλλων του GO εντός των ολιγο-στρωματικών μεμβρανών. Η PDA είχε το ίδιο ευεργετικό αποτέλεσμα, καθώς είναι μακρομόριο. Συνολικά, αυτή η μελέτη δείχνει ότι η ανάπτυξη μεμβρανών για διαχωρισμούς αερίων, απλώς με τη βύθιση του χημικά τροποποιημένου υποστρώματος σε εναιώρημα GO, δεν είναι απλή υπόθεση. Η εφαρμογή της μεταδιήθησης συνέβαλε σημαντικά σε αυτόν τον στόχο και η ποιότητα των επιφανειακά εναποτιθέμενων φύλλων του GO εξαρτήθηκε από αυτή των χημικά τροποποιημένων ολιγο-στρωματικών μεμβρανών.Επιπλέον, οι ιδιότητες διαπερατότητας των μεμβρανών μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας ήλιο στους 25 °C ως ανιχνευτικό και αναλύθηκαν περαιτέρω σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα διαπερατότητας νερού. Οι μετρήσεις με ήλιο στους 25 °C επιλέχθηκαν για να αποφευχθούν μηχανισμοί προσρόφησης αερίων και επιφανειακής διάχυσης. Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε να διεξαχθούν συμπεράσματα για τη μορφολογία εναπόθεσης των φύλλων GO στο κεραμικό υπόστρωμα, τον τρόπο χημικής σύνδεσης με τον συνδετικό παράγοντα και τη σταθερότητα των εναποτιθέμενων φύλλων GO. Συγκεκριμένα, λαμβάνοντας υπόψη ότι η διαπερατότητα He επηρεάζεται κυρίως από τα δομικά χαρακτηριστικά των πόρων, έγινε αρχικά εκτίμηση της σχετικής αλλαγής στο μέγεθος των πόρων των αναπτυγμένων μεμβρανών σε σύγκριση με το αρχικό υπόστρωμα. Αυτό επιτεύχθηκε ερμηνεύοντας τα αποτελέσματα μέσω της εξίσωσης Knudsen, η οποία περιγράφει τη διαπερατότητα των αερίων ως ανάλογη με την τρίτη δύναμη της ακτίνας των πόρων. Στη συνέχεια, η υπολογισμένη σχετική αλλαγή στο μέγεθος των πόρων εισήχθη στην εξίσωση Hagen–Poiseuille για να προβλέψει τον αντίστοιχο λόγο διαπερατότητας νερού των μεμβρανών GO προς το αρχικό υπόστρωμα. Ο λόγος που οι πειραματικές τιμές διαπερατότητας νερού μπορεί να αποκλίνουν από τις προβλεπόμενες σχετίζεται με τη διαφορετική χημεία της επιφάνειας, δηλαδή την υδροφιλικότητα ή υδροφοβικότητα που αποκτούν οι σύνθετες μεμβράνες μετά από τη χημική τροποποίηση. Διάφορες τεχνικές χαρακτηρισμού εφαρμόστηκαν για να μελετηθούν οι μορφολογικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών, όπως FESEM, XRD, DLS και γωνία επαφής. Συνολικά, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι τα χημικά προσδεμένα φύλλα GO απλώνονται στην επάνω επιφάνεια όλων των μεμβρανών μέσω εναλλασσόμενων περιοχών υψηλής και χαμηλής πυκνότητας GO. Τα μόρια του αερίου μπορούν να παρεμβάλλονται μεταξύ των στοιβαγμένων νανοφύλλων διαπερνώντας μέσω ατελειών της επιφάνειας του GO και διέπονται από τον μηχανισμό μικροπορώδους διάχυσης. Οι περιοχές χαμηλής πυκνότητας χαρακτηρίζονται από χαλαρότερη πρόσδεση των στοιβαγμένων νανοφύλλων GO, και ο μηχανισμός διάχυσης αερίων κυμαίνεται από Knudsen έως Poiseuille, ανάλογα με την απόσταση μεταξύ των γειτονικών φύλλων. Συνεπώς, οι πιο αποτελεσματικοί συνδετικοί παράγοντες είναι αυτοί που καταλήγουν στην κυριαρχία των περιοχών υψηλής πυκνότητας εντός της δομής των φύλλων. Η φασματοσκοπική ανάλυση των ολιγο-στρωματικών σύνθετων μεμβρανών έδειξε ότι το APTES «αγκυρώνεται» στην κεραμική επιφάνεια μέσω των αλκοξυ-ομάδων του, με την αλειφατική αλυσίδα αμίνης να είναι κάθετα προσανατολισμένη προς την επιφάνεια του υποστρώματος, και είναι λιγότερο αποτελεσματικός συνδετικός παράγοντας σε σύγκριση με το GLYMO και το PDA. Αντίθετα, το GLYMO προσδέθηκε σε δύο θέσεις με τις αλκοξυ- και αιθερικές ομάδες του, καλύπτοντας έτσι μεγαλύτερη έκταση της κεραμικής επιφάνειας. Αυτή η διαμόρφωση κατέληξε στη δημιουργία υψηλότερης επιφανειακής συγκέντρωσης λειτουργικών ομάδων διαθέσιμων για σύνδεση με το GO. Η ίδια συμπεριφορά παρατηρήθηκε και για τις μακριές αλυσίδες του PDA που επεκτείνονται σε ολόκληρη την κεραμική επιφάνεια. Αυτά τα ευρήματα επιβεβαιώθηκαν περαιτέρω από μετρήσεις διαπερατότητας ηλίου σε διάφορες τιμές διαμεμβρανικών πιέσεων και θερμοκρασιών, όπου το Al2O3 APTES GO εμφάνισε χαρακτηριστικά ροής Poiseuille. Αντίθετα, οι ολιγο-στρωματικές μεμβράνες GO με GLYMO και PDA που αναπτύχθηκαν και στα δύο είδη υποστρωμάτων (Al2O3 και ZrO2), μαζί με όλες τις πολυστρωματικές, παρουσίασαν χαρακτηριστικά διάχυσης Knudsen, ενώ η εξάρτηση της διαπερατότητας ηλίου από τη θερμοκρασία αποκάλυψε τη συμπληρωματική συμβολή της διάχυσης στη μικροπορώδη επιφάνεια στη συνολική ροή. Αυτό το χαρακτηριστικό ήταν πιο εμφανές για τις σύνθετες πολυστρωματικές μεμβράνες GO/κεραμικού. Τέλος, συγκρίνοντας την απόδοση διαχωρισμού He/CO2 και He/CH4 με την αναμενόμενη εκλεκτικότητα Knudsen και ερμηνεύοντας τους πιθανούς μηχανισμούς της μικροπορώδους διάχυσης, βρέθηκε ότι η μεμβράνη ZrO2 GLYMO GO-F ήταν ικανή να αναστέλλει σημαντικά τη διάχυση των μεγαλύτερων μορίων CH4. Ως εκ τούτου, είναι η μεμβράνη που χαρακτηρίζεται από τη μεγαλύτερη έκταση πυκνών περιοχών εντός της δομής των εναποτιθέμενων φύλλων GO. Όλες οι μεμβράνες παρουσίασαν ένα συνεχές στρώμα GO στην επιφάνειά τους χωρίς ρωγμές και οπές. Το πάχος των νανοφύλλων GO για τις ολιγο-στρωματωμένες μεμβράνες κυμαινόταν από 38 nm έως 200 nm, ενώ για τις πολυστρωματικές ήταν περίπου 4700 nm. Μεταξύ των σύνθετων μεμβρανών, η Al2O3 APTMS-GO παρουσίασε την πιο αρνητικά φορτισμένη επιφάνεια λόγω του τρόπου με τον οποίο τα φύλλα του GO ήταν χημικά «αγκυροβολημένα» στις κεραμικές επιφάνειες. Συγκεκριμένα, οι καρβοξυλικές ομάδες και οι φαινολικές υδροξυλομάδες στην επιφάνεια του GO παρέμειναν ανενεργές, οδηγώντας στο υψηλά αρνητικό φορτίο των σύνθετων μεμβρανών μέσω του ιονισμού τους, ενώ στην περίπτωση της Al2O3 GPTMS-GO οι -OH ομάδες στην επιφάνεια του GO καταναλώθηκαν σε αντιδράσεις συμπύκνωσης, οδηγώντας σε χαμηλότερη τιμή ζ δυναμικού σε σχέση με την Al2O3 APTMS-GO.Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε εκτενής συνδυαστική μελέτη διαπερατότητας του ηλίου στους 25 °C και διαπερατότητας νερού για να αποκαλυφθεί η μορφολογία εναπόθεσης του GO στο κεραμικό υπόστρωμα, ο τρόπος χημικής σύνδεσης με τον διασταυρωτικό παράγοντα και η σταθερότητά τους στο νερό. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι, εκτός από τις μεμβράνες ZrO2 GPTMS-GO και Al2O3 PDA, όλες οι άλλες σύνθετες μεμβράνες παρουσίασαν πολύ υψηλότερη υδροφιλικότητα από τα αντίστοιχα υποστρώματα α-Al2O3 και ZrO2. Η υψηλή υδροφιλικότητα της ZrO2 GPTMS-GO-F και τα υπο-νανομετρικά πακέτα φύλλων του GO την καθιστούν μια αποτελεσματική μεμβράνη νανοδιήθησης για πολλές εφαρμογές, με την προϋπόθεση ότι διατηρεί τη δομή και την απόδοσή της για μεγάλα χρονικά διαστήματα σε λειτουργία. Συνολικά, η σωληνοειδής γεωμετρία ήταν η καλύτερη επιλογή για τη ρύθμιση του μεγέθους των πόρων των μεμβρανών νανοδιήθησης σε υπονανομετρική κλίμακα, καθώς οι κεραμικοί σωλήνες μπορούν να αντέξουν πολύ υψηλότερες τιμές διαμεμβρανικών πιέσεων σε σύγκριση με τα επίπεδα υποστρώματα Al2O3. Όσον αφορά τις χημικά τροποποιημένες σκόνες με TiO2, με φωτοκαταλυτική δράση στο ορατό φως, η rGO-TiO2 παρασκευάστηκε με υδροθερμική μέθοδο, ενώ οι σκόνες Fe-TiO2 και AgFe-TiO2 παρασκευάστηκαν με υδρόλυση μέσω της μεθόδου λύματος-πηκτής. Πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός με XRD, Raman, SEM, XPS, DLS, UV-Vis και FTIR. Συμπερασματικά, το μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών όλων των χημικά τροποποιημένων κόνεων βρέθηκε να είναι στην περιοχή της νανοκλίμακας. Αναλυτικά, υπολογίστηκε στα 7.71 nm για το Fe-TiO2, 15.75 nm για το AgFe-TiO2 και 5.7 nm για το rGO-TiO2. Παρατηρήθηκε ότι η σκόνη με rGO-TiO2 αποικοδομεί σχεδόν πλήρως τον ρύπο μπλε του μεθυλενίου. Σε 150 λεπτά ακτινοβολίας ορατού φωτός, το MB αποικοδομήθηκε 90% από το rGO-TiO2, 70% για το AgFe-TiO2 και 40% για το Fe-TiO2. Τα δείγματα AgFe-TiO2 και rGO-TiO2, τα οποία μελετήθηκαν ως προς την κινητική της αποικοδόμησης του ρύπου, και αναδείχθηκε ότι τα πειραματικά δεδομένα προσομοιώνονται καλύτερα στο μοντέλο αντίδρασης ψευδο-δεύτερης τάξης, ενώ η σκόνη Fe-TiO2 εμφανίζει κινητική αντίδραση ψευδο-πρώτης τάξης, υπακούοντας το μοντέλο Langmuir-Hinshelwood. Τέλος, καταλήγοντας στο ότι το δείγμα rGO-TiO2 παρουσίασε τις καλύτερες φωτοκαταλυτικές ιδιότητες, έγινε σύνθεση σύνθετης κεραμικής μεμβράνης χημικά τροποποιημένης με PDA και rGO-TiO2, η οποία χαρακτηρίστηκε μορφολογικά και ως προς τις φυσικοχημικές της ιδιότητες. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια σειρά μετρήσεων διαπερατότητας και εκλεκτικότητας αερίων στα: He, CO2 και CH4. Στόχος της παραπάνω διατριβής, ήταν η επίλυση ενός από τα σημαντικότερα προβλήματα που εμφανίζονται στην τεχνολογία μεμβρανών που σχετίζονται με τη δυσκολία ενσωμάτωσης του οξειδίου του γραφενίου (GO) στις κεραμικές επιφάνειες με σταθερότητα. Τα κεραμικά υποστρώματα αποτελούν την καταλληλότερη επιλογή λόγω της ανθεκτικότητάς τους και της ικανότητάς τους να λειτουργούν σε επιθετικά περιβάλλοντα και υψηλές θερμοκρασίες. Έτσι, η σταθερότητα του GO και οι εξαιρετικές μηχανικές του ιδιότητες σε συνδυασμό με την αντοχή του κεραμικού υποστρώματος αποτελούν έναν ιδανικό συνδυασμό που υπόσχεται μεμβράνες με παρατεταμένη διάρκεια ζωής. Η ισχυρή πρόσφυση του στρώματος GO στο κεραμικό υπόστρωμα είναι η μοναδική προϋπόθεση για την επίτευξη αυτού του στόχου. Κατά συνέπεια, η σωστή επιλογή των συνδετικών παραγόντων αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για την επιτυχή λειτουργικότητα του υποστρώματος και την ανάπτυξη μιας ανθεκτικής μεμβράνης. Η σταθερότητα των μεμβρανών είναι πολύ σημαντική για εφαρμογές, όπως η επεξεργασία λυμάτων και ο διαχωρισμός αερίων για εφαρμογές, τα κελιά καυσίμων, ο διαχωρισμός και καθαρισμός φυσικού αερίου, η επεξεργασία και ο καθαρισμός βιοαερίου, η δέσμευση και αποθήκευση CO2 κ.ά.