Estratégia anti-incrustação na microfiltração de emulsões oleosas baseada na modificação da superfície de membrana de PVDF com poli(dopamina) e poli(etileno imina)

Abstract

O tratamento de águas residuais é uma importante etapa na indústria de alimentos devido à grande quantidade de água utilizada nos processos. Dentre as águas residuais geradas pelas indústrias, o tratamento dos efluentes oleosos é um inevitável desafio. Observando este cenário, os processos de separação com membranas (PSM) aparecem como uma tecnologia atraente no tratamento de efluentes oleosos pois apresentam alta seletividade, facilidade de escalonamento, flexibilidade de operação e baixa demanda energética. No entanto, um dos maiores problemas enfrentados por esta tecnologia é a redução da permeabilidade causada pela polarização por concentração e a incrustação da membrana. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver e avaliar melhorias em membranas de microfiltração para aplicação no tratamento de águas residuais oleosas. A melhoria do desempenho do processo de microfiltração foi realizada pela modificação da superfície da membrana (MSM), tornando membranas hidrofóbicas em superhidrofílicas pela utilização do método inspirado em mexilhão, mussel-inspired (MI), e da utilização de campos magnéticos (CM) como pré-tratamento da emulsão de óleo. Os ensaios de permeação foram realizados em sistemas de filtração convencional e tangencial pela permeação de emulsões de óleo de canola. As membranas utilizadas nos experimentos foram de microfiltração comerciais confeccionadas de poli(difluoreto de vinilindeno) (PVDF) com diferentes tamanhos de poro (0,1, 0,2 e 0,45 µm), modificadas ou não. As MSM foram realizadas com diferentes abordagens do método MI e diferentes concentrações de dopamina (DA) e polietilenoimina (PEI). Os efeitos das diferentes modificações foram avaliados em relação à hidrofilicidade, molhabilidade, resistência ao pH e no desempenho do processo de permeação das emulsões oleosas. O efeito da aplicação do campo magnético como estratégia anti-incrustação foi estudado pela permeação da emulsão oleosa tratada magneticamente pela circulação por 2 h em dispositivos geradores de campo magnético. Os parâmetros avaliados nas permeações foram a permeabilidade hidráulica inicial, o fluxo da emulsão de óleo de canola, a retenção da membrana e a permeabilidade hidráulica após os procedimentos de limpeza física e química. As membranas foram caracterizadas por diferentes técnicas como microscopia eletrônica e de força atômica, espectroscopia de infravermelho e de fotolelétrons excitados por raio-X e potencial zeta. As modificações da membrana hidrofóbicas pelas diferentes abordagens do método MI provaram ser eficientes para torná-las superhidrofílicas, adequadas para o tratamento de águas residuais oleosas. Por sua vez, o tratamento da emulsão oleosa com CM não alterou o desempenho das microfiltrações realizadas.

Abstract : Wastewater treatment is an important step in food industries due to large amount of water used in the processes. Among the effluents generated by industries, the oily wastewater is an inevitable challenge. In this scenario, membrane separation processes appear as an attractive technology in the oily wastewater treatment, due to their high selectivity, easy scale-up, operation flexibility and low energetic demand. However, one of the major drawbacks of this technology is the permeability reduction caused by concentration polarization and membrane fouling. In this context, the present work aimed to develop and evaluate improvements in microfiltration membranes for application in the oil removal of industrial wastewater. The improvement in performance of microfiltration was carried out by the membrane surface modification (MSM), turning hydrophobic membranes into superhydrophilic by a mussel-inspired (MI) method, and by pre-treatment of oil emulsion under a magnetic field (MF). The permeations assays were carried out by the permeation of canola oil emulsion in dead-end and cross-flow filtration systems. Commercial poly(vinylidene difluoride) (PVDF) microfiltration membranes with 0.1, 0.2 and 0.45-µm of pore size, modified or not, were used in the permeations assays. Different approaches of the MI method and different concentrations of dopamine (DA) and polyethyleneimine (PEI) were used in the MSM. The effects of the different modifications were evaluated by the hydrophilicity, wettability, pH resistance and the permeation performance of the oily emulsions. The magnetic field application as an antifouling strategy was studied by the permeation of the oil emulsion previously circulated through a magnetic field device for 2 h. The permeation performance was evaluated by the initial water permeability, flux of canola oil emulsion, membrane retention and the water permeability after the physical and chemical cleaning procedures. Membrane were characterized by atomic force and scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and zeta potential. The MSM by the different approaches proved be efficient to modify hydrophobic membranes into superhydrophilic, suitable for use in the treatment of oily wastewaters. In turn, the treatment of the oily emulsion with MF did not alter the microfiltration performance carried out.