Modificação e caracterização de membranas de micro e ultrafiltração comerciais para remoção de contaminantes em soluções aquosas

Abstract

RESUMO: Muitos esforços têm sido realizados para minimizar o efeito poluente de águas residuais contendo corantes e herbicidas que são potencialmente tóxicos ao ambiente e ao homem. Entre as técnicas de tratamento, se sobressaem os de separação com membranas modificadas. Esta pesquisa desenvolveu processos de modificação de membranas pelas técnicas de filtração assistida por pressão e por imersão, visando melhorar a seletividade e diminuir a incrustação das membranas modificadas para melhorar a remoção de contaminantes. O trabalho foi realizado em três etapas, nas quais duas modificações foram propostas. Na primeira etapa, foram modificadas membranas comerciais de polietersulfona de microfiltração com soluções de ácido sulfúrico, biopolímero proteico extraído da Moringa oleifera Lam e óxido de grafeno. O efeito destes agentes sobre a morfologia e desempenho das membranas modificadas foi estudado por meio da avaliação da permeabilidade, remoção do corante azul de metileno e parâmetros relacionados à incrustação. Todas as membranas modificadas apresentaram baixos níveis de incrustação irreversível (menor que 10,55%) e alta retenção do corante, que atingiu uma remoção de até 96,73%. Na segunda etapa, a mesma metodologia, com pequenas alterações, foi aplicada para modificar membranas comerciais de polietersulfona de ultrafiltração. A membrana de ultrafiltração com melhor resultado alcançou remoção de amarelo tartrazina de 70,61% e de Diuron de 55,98%. A partir desta membrana, a metodologia aplicada na fase da sulfonação foi alterada, passando a ser por imersão, ao invés de filtração pressurizada. As membranas produzidas pelo método híbrido apresentaram melhor remoção do Diuron (70,85%), do que do amarelo tartrazina (43,21%), em virtude das novas características da membrana e também dos contaminantes testados. As duas etapas da modificação I produziram membranas de excelentes propriedades anti-incrustantes e desempenho superior às membranas puras. Na terceira etapa foi avaliada a associação de dois métodos: coagulação/floculação (utilizando extrato salino proteico de sementes de Moringa oleifera) com posterior ultrafiltração em membranas modificadas com dióxido de titânio para remoção de corante reativo preto 5 em solução aquosa. A eficiência do processo híbrido foi avaliada pela remoção da concentração do corante e da cor aparente, além dos parâmetros de incrustação. Os processos quando aplicados separadamente apresentaram desempenho insatisfatório. No entanto, após a coagulação/floculação e subsequentemente filtração em membranas modificadas, 100% de remoção foi alcançada para a concentração de corante e cor aparente. As membranas modificadas melhoraram substancialmente os fluxos de permeado. Por exemplo, após coagulação/floculação, o fluxo de corante para membrana modificada aumentou cerca de 49% em comparação com o fluxo na membrana pura. De acordo com estes resultados, a combinação de métodos foi capaz de remover efetivamente o corante, além de melhorar os fluxos de permeado e manter incrustações em níveis baixos. As membranas de micro e ultrafiltração foram caracterizadas por técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), ângulo de contato, entre outras que comprovaram a eficácia das modificações propostas. Diante dos resultados obtidos, verifica-se que as modificações desenvolvidas neste estudo produziram membranas com bom desempenho e seletividade, que podem ser aplicadas como uma técnica promissora no tratamento de soluções aquosas contendo corantes e herbicidas

ABSTRACT: Many efforts have been carried out to minimize polluting effects of waste water containing dyes and herbicides that are potentially toxic to the environment and human. Among the treatment techniques, processes separation using modified membranes stand out with great advances. This research investigated membrane modification processes by pressure assisted filtration and dip-coating techniques to improve the selectivity and decrease the fouling of modified membranes to improve the contaminants removal. The work was developed in three stages, in which two modifications were proposed. In the first stage, commercial microfiltration polyethersulfone membranes were modified with sulfuric acid solutions, biopolymer extracted from Moringa oleifera Lam and graphene oxide. The agents' effects on the morphology and performance of the modified membranes were studied based on the evaluation of permeability, removal of the methylene blue dye and incrustation parameters. All the modified membranes presented low levels of irreversible incrustation (less than 10.55%) and high removal of dye, which reached levels of up to 96.73%. In the second stage, the same methodology with small changes, was applied aiming to modify commercial ultrafiltration membranes of polyethersulfone. The ultrafiltration membrane which presented the best result achieved tartrazine yellow and Diuron removal of 70.61% and 55.98%, respectively. Related to this membrane, the methodology applied in the sulphonation step was changed, being immersed instead of pressurized filtration. Then, membranes produced by the hybrid method showed better removal of Diuron (70.85%) than tartrazine yellow (43.21%) due to the new characteristics of the membrane interacting with the contaminants tested. The two stages of the modification I produced membranes of excellent antifouling properties, with a superior performance compared to the pure membranes. In the second modification, the association of two methods were evaluated: coagulation/flocculation (using the Moringa oleifera seeds protein extract) and subsequent ultrafiltration on membranes modified with titanium dioxide for the black reactive dye removal. The efficiency of the hybrid process was evaluated by assessing the concentration reduction of the dye and the apparent color, in addition to the evaluation of fouling parameters. These processes when applied separately presented unsatisfactory performance. However, after coagulation/flocculation and subsequently filtration in modified membranes, 100% removal was achieved for the concentration of dye and apparent color in the permeate stream. The modified membranes substantially improved the permeate flows, for example, after coagulation/flocculation the modified membrane dye flow increased by about 49% compared to the pure membrane flow. According to the results, the combination of methods allowed to effectively remove the dye, as well as improve permeate flows and conserving low levels of incrustation. Micro and ultrafiltration membranes were characterized by scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), contact angle and other techniques, which proved the efficacy of the proposed modifications. In view of the presented results, the modifications developed in this study produced membranes with good performance and selectivity, indicating that they are promising materials for advances in the treatment of aqueous solutions containing dyes and herbicides