Katalytiska system är en av de effektivaste teknikerna för moderna kemiska processer. I processen används en molekyl, en ”katalysator” som är kapabel att pådriva en kemisk reaktion utan att själv bli producerad eller förbrukad under processens gång. Katalytiska system kräver separation av katalysatorerna från andra produkter efter varje cykel, vilket är både kostsamt och resurskrävande. Därför är det relevant att immobilisera katalysatorerna genom att binda dem till ett solitt stödmaterial som möjliggör att katalysatorerna enkelt kan separeras. Immobiliserade katalysatorer kan återanvändas och visar ofta på bättre stabilitet än fria katalysatorer. Men det är en långdragen process att immobilisera katalysatorer då det kräver exklusiva stödmaterial och ett komplext förberedelseförlopp. I många fall är stödmaterialen mer kostsamma än katalysatorerna själva.
I denna doktorsavhandling arbetar jag därför med ett innovativt koncept, där jag använder textil som ett billigt och enkelt stödmaterial för immobilisering av katalysatorer. Genom systematiskt utförda experiment har underlag samlats in för att visa på immobilisering av en oorganisk katalysator (nollvalent järnpartikel-Fe0) och ett biokatalysator (glukosoxidasenzym-GOx) på en textil stödstruktur. Syftet med denna avhandling är att fastställa möjligheten att använda textil som stödmaterial för immobilisering av katalysatorer i jakten på framställningen av ett heterogent katalytiskt system (oxiderande och reducerande) för rening av avloppsvatten. Ett nonwoventyg av polyester (PF) valdes som textilt stödmaterial för immobilisering av katalysatorer för dess kvalitativa (hög styrka, porositet, biokompabilitet och resistans mot de flesta syror, oxiderande medel samt mikroorganismer) och kommersiella (tillgänglighet, låg kostnad och enkelhet att modifiera) fördelar. En kombination av miljövänliga och resurseffektiva processer (så som plasmabehandling, användning av hypergrenade dendrimerer, biobaserade polymerer) har använts för att modifiera PF ytan till fördelaktiga ytkemiska egenskaper gällande hög och stabil utdelning av immobiliserade katalysatorer.
Avhandlingen består av tre separata delar som handlar om immobilisering av katalysatorer på textiler: (a) immobilisering och stabilisering av oorganiskt Fe0 på PF och optimering av dess möjligheter i oxiderande och/eller reducerande katalytiska system, (b) immobilisering av GOx på PF och optimering av dess användning i biokatalytiska system, (c) utformning av heterogena bio-Fentonsystem med hjälp av immobiliserade katalysatorer (Fe0 och GOx). I alla delar aktiverades PF:s hydrofobiska fiberyta genom en plasmabehandling (antingen atmosfärisk plasma -AP eller kall fjärrplasma -CRP) efterföljt av kemisk ympning med hypergrenade dendrimerer (polyetylenglykol-OH/polyamidoamin-etylendiaminkärna) eller polymerer som innehåller den funktionella gruppen amin/tiol (3-aminopropyl-trietoxysilan/polyetylenimin, kitosan/1-tioglycerol) innan immobilisering av endera katalysatorerna. Immobiliseringen av Fe0 genomfördes med in-situ eller ex-situ reduktions-immobiliseringsmetod, medan GOx immobiliserades genom en fysisk adsorptionsmetod. Ett antal tillvägagångssätt utforskades i sökandet efter optimala förhållanden för immobilisering av katalysatorer samt förbättringsmöjligheter av immobiliserade katalysatorers katalytiska förmåga.
Olika analytiska och instrument-tekniker användes för att kontrollera ytmodifieringen av textilier, effektiviteten av immobiliserade katalysatorer, fysiokemiska egenskaper av immobiliserade katalysatorer och deras katalytiska aktivitet för avlägsnandet av färgämnen, fenoler eller patogena föroreningar från vatten. Resultaten från plasmabehandlingen visade att båda AP och CRP framgånsrikt aktiverat PF ytan genom integrering av polära funktionella grupper (–COOH och –OH) genom AP och karboxyl/hydroxyl-grupper (–COOH/–OH) och aminogrupper (–NH2) genom CRP. Dessutom kunde ympade hypergrenade dendrimerer och funktionella polymerer på plasma-aktiverad PF ge en skräddarsydd yta med specifika funktionella ändgrupper. När det gäller immobiliseringen av Fe0 på en PF-yta visade resultaten att reduktionsmetoderna (in-situ eller ex-situ) för framställning av Fe0-partiklar hade synergieffekter på hur väl immobiliseringen lyckades när det gäller morfologi, stabilitet, partikelstorlek och spridning av immobiliserad Fe0. Ytkemiska egenskaper av PF påverkade också stabiliteten av immobiliserad Fe0 och tillhörande egenskaper, något som observerats genom flertalet studier. Detaljerade resultat visade att en PF-yta som innehåller de funktionella grupperna –COOH, –OH, och –SH främjar belastning och stabiliseringen av Fe0 mer än en yta rik på de funktionella grupperna – NH2. Slutligen, alla Fe0-immobiliserade PF prov visade hög katalytisk aktivitet i avlägsnandet av föroreningar i vatten i både oxiderande och reducerande system. När det gäller GOx-immobiliserade PF prov fanns det att lyckad immobilisering av enzym på textil var relaterad till typen och omfattningen av funktionella ytgrupper integrerade i PF-ytan. Resultaten visade vidare att en PF-yta med –COOH eller – NH2-grupper garanterade högre belastning och stabilitet hos GOx jämfört med -COOH och -OH rika ytor. Dessa resultat är viktiga eftersom de styrker interaction mellan den textila ytan och enzymer, vilket utgör en grund för möjligheterna för starka immobiliseringar av GOx på textila stödmaterial. Som validering av konceptet så visar denna avhandling också den första lyckade framtagningen av ett komplett heterogent bio-Fenton system för rening av avloppsvatten med hjälp av immobiliserade katalysatorer (Fe0 och GOx).
Denna avhandling om immobilisering av katalysatorer på textil och applicering av immobiliserade katalysatorer i rening av avloppsvatten (både oxiderande och reducerande system) bidrar inte bara till allmän kunskap om heterogena katalytiska system, Fenton/Fenton-system och bio-Fenton system, utan öppnar också upp för lovande möjligheter att använda textilier som stödmaterial för immobilisering av olika katalysatorer för ett brett spektrum av användningsområden.