Modificação da superfície de membranas comerciais para a remoção de corantes presentes em solução aquosa

Abstract

RESUMO: Corantes são substâncias utilizadas em diversos processos industriais, com destaque às indústrias de alimentos e têxtil. Quando presentes em efluentes líquidos podem implicar em diversas consequências ao meio aquático, como a redução da penetração da luz solar. São várias as tecnologias que podem ser adotadas com vistas à remoção destas substâncias presentes em efluentes líquidos ou ainda, nas águas de captação. Dentre essas tecnologias, os processos de separação por membranas (PSMs) destacam-se, uma vez que as membranas são consideradas barreiras físicas, capazes de separar as espécies presentes na solução. A modificação da superfície de membranas comerciais, via layer-by-layer self-assembly (LbL) consiste na deposição de camadas sequenciais de determinados materiais na superfície da membrana. Essa modificação minimiza o principal problema associado ao processo: fouling, e ainda pode aumentar a eficiência da remoção de espécies indesejáveis presentes na solução de alimentação. Dessa forma, o presente trabalho objetivou modificar superficialmente as membranas comerciais de microfiltração (MF) de polietersulfona (PES) pelo método LbL a partir da filtração sequencial de soluções modificadoras, com vistas a melhorar a seletividade das membranas e reduzir a ocorrência do fouling. O trabalho foi realizado em duas etapas. Na primeira etapa, desenvolvida na Universidade Estadual de Maringá, membranas de MF PES foram modificadas a partir da filtração sequencial de soluções de ácido sulfúrico, polietilenoimina (PEI) e óxido de grafeno (OG) funcionalizado com ácido tânico (AT); ao todo, foram produzidas 7 membranas com massas variadas de OG e AT. As membranas antes e após a modificação foram caracterizadas por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR-ATR) e ângulo de contato. No processo de filtração, realizado em célula de filtração em escala de bancada, primeiramente filtrou-se água deionizada, em seguida soluções de corante alimentícios, e, por fim água deionizada novamente, para o cálculo do fouling e da recuperação do fluxo. A melhor membrana, em termos de remoção do corante azul brilhante foi a membrana MF PEI5OG1AT4, capaz de remover 100% do contaminante, e demonstrando possibilidade de reutilização em 5 ciclos de filtração. Na segunda etapa, desenvolvida na Universidade do Minho, membranas de MF PES foram modificadas a partir da filtração sequencial de AT, OG e AT; ao todo, 8 membranas com massas variadas de OG e AT foram produzidas. As membranas antes e após a modificação foram caracterizadas por meio de MEV, FTIR ATR, ângulo de contato e espessura e raio do poro médio. A MF AT0,4OG0,1AT0,4 demonstrou habilidade em remover 100% do corante presente em solução aquosa, e recuperar o fluxo de permeado em 71,14%; esta mesma membrana, quando aplicada em ensaios de remoção de corante têxtil sintético, foi capaz de remover 49,20% do corante azul corazol e reter 27,74% de sal. A partir deste trabalho, conclui-se que membranas comerciais de microfiltração não conseguem reter as moléculas de corante presentes em solução aquosa; no entanto, quando modificamos a superfície dessas membranas, a partir da introdução de grupos funcionais diferentes, é possível atingir o objetivo esperado, apesar da diminuição do fluxo permeado.

ABSTRACT: Dyes are substances used in several industrial processes, specially on the food and textile industries. Dyes present in wastewaters can have several consequences for the aquatic environment, such as reduced sunlight penetration. Several technologies can be adopted for the removal of these substances present in wastewaters or even their arrival at water bodies. Among these technologies, the membrane separation processes (MSPs) are very attractive, since membranes are considered physical barriers, capable of separating the species present in the solution. The modification of the surface of commercial membranes, via layer-by-layer self-assembly (LbL) consists of the deposition of sequential layers of certain materials on the surface of the membrane. This modification minimizes the main problem associated with the process: fouling, and can increase the efficiency of removing undesirable species present in the feed solution. Thus, the present work aimed to modify superficially the commercial polyethersulfone (PES) microfiltration (MF) membranes by the LbL method from the sequential filtration of modifying solutions, in order to improve the selectivity of the membranes and reduce the occurrence of fouling. The work was carried out in two stages. In the first stage, developed at the State University of Maringá, MF PES membranes were modified from the sequential filtration of solutions of sulfuric acid, polyethyleneimine (PEI) and graphene oxide (OG) functionalized with tannic acid (AT); altogether, 7 membranes with varying masses of OG and AT were produced. The membranes before and after the modification were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Infrared Spectroscopy with Fourier Transform (FTIR-ATR) and contact angle. The best membrane, in terms of removing the bright blue dye, was the MF PEI5OG1AT4 membrane, capable of removing 100% of the contaminant, and demonstrating the ability of reuse in 5 filtration cycles. In the second stage, developed at Minho University, MF PES membranes were modified from the sequential filtration of AT, OG and AT; altogether, 8 membranes with varying masses of OG and AT were produced. The membranes before and after the modification were characterized by MEV, FTIR-ATR, contact angle and thickness and mean pore ratio. In the filtration process, carried out on a bench scale filtration cell, deionized water was firstly filtered, then a textile dye solution, and finally, deionized water again, in order to calculate fouling and flux recovery. The MF AT0,4OG0,1AT0,4 demonstrated the ability to remove 100% of the dye present in aqueous solution, and recover the permeate flux by 71.14%; this same membrane, when applied in synthetic textile dye removal assays, was able to remove 49.20% of the corazol blue dye, retaining 27.74% of salt. Thus, it can be concluded that commercial microfiltration membranes are unable to retain the dye molecules present in aqueous solution; however, when the surface of these membranes was modified, from the introduction of different functional groups, it was possible to achieve the expected goal, despite the decrease in the permeate flux.