Membranas compósitas de poliacrilonitrila e carvão ativado em pó superfino: preparação, caracterização e avaliação da eficiência de rejeição do diclofenaco

Abstract

Os chamados interferentes endócrinos são micropoluentes liberados no meio ambiente capazes de alterar o funcionamento do sistema endócrino animal quando em contato com seus organismos. Entre eles está o fármaco diclofenaco (DCF), que foi incluído na lista prioritária de substâncias perigosas da Comunidade Europeia. Os tratamentos convencionais das estações de tratamento de águas e efluentes são ineficientes na remoção desses compostos, o que faz com que a carga de micropoluentes seja constantemente reposta no meio ambiente. Essa dissertação teve como objetivo desenvolver membranas de poliacrilonitrila (PAN) contendo carvão ativado em pó superfino (CAP-S); caracterizar o CAP-S e as membranas, e avaliar a eficiência de rejeição das membranas para soluções contendo DCF. As membranas foram preparadas pelo método de inversão de fases com diferentes porcentagens de CAP-S (0,2; 0,6; 1,0; 3,0, e 5,0%) em massa total. O CAP-S foi caracterizado por microscopia eletrônica de transmissão (MET), potencial zeta (PZ), diâmetro hidrodinâmico (DH), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier pela técnica de refletância atenuada total (FTIR-ATR) e microscopia eletrônica de varredura acoplada a espectroscopia de energia dispersiva (MEV-EDS). As membranas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura com fonte de emissão de campo (MEV-FEG), grau de intumescimento, porosidade, estabilidade dimensional, e avaliadas em testes de fluxo permeado, ensaios de rejeição do fármaco e teste de adsorção estática. A quantificação do DCF se deu por espectroscopia no ultravioleta-visível (UV-Vis) em 275 nm. Os resultados das caracterizações de MET do CAP-S indicaram a presença de micropartículas e predominantemente nanopartículas com diâmetros médios próximos a 10 nm, que tendem a formar aglomerados micrométricos. As medidas de PZ das suspensões de CAP-S resultaram numa estabilidade intermediária (~ -25 mV). A análise de FTIR-ATR das membranas mostrou espectro característico de PAN, contudo observou-se nas membranas PAN/CAP-S bandas vibracionais encontradas no CAP-S, o que indicou interação entre os materiais. Não houve modificação expressiva nas imagens de MEV-FEG para superfícies das membranas, contudo para a seção transversal, a porosidade e o tamanho de macrocavidades das membranas foram aumentados. A hidrofilicidade das membranas, avaliadas pelo grau de intumescimento, sofreu um leve aumento com a introdução de CAP-S. Com o acréscimo da adição de CAP-S na matriz polimérica houve aumento do fluxo permeado e da eficiência de rejeição do DCF, resultando em 282,41 L m-2 h-1 (incremento de 45% ao fluxo da PAN) e 45%, respectivamente para PAN(5,0), a qual obteve melhor performance em termos de rejeição. Os resultados do ensaio de adsorção estática indicaram que o mecanismo predominante da rejeição do DCF se deu por adsorção. Houve indícios que as membranas PAN/CAP-S formaram um material compósito, sendo a PAN(3,0) considerada a melhor composição do estudo diante dos resultados. A expectativa dessa dissertação foi fornecer uma contribuição científica para o desenvolvimento de novos materiais e tecnologias capazes de remover interferentes endócrinos das matrizes aquosas ambientais.

Abstract: Endocrine disruptors are micropollutants released into the environment capable of altering the functioning of the animal endocrine system. These include the drug diclofenac (DCF), which has been included in the priority list of hazardous substances in the European Commission. Conventional treatment of water and wastewater treatment plants is inefficient to remove of these compounds, which causes the micropollutant load to be constantly replaced in the environment. This work purposed to prepare polyacrylonitrile (PAN) membranes impregnated with superfine powdered activated carbon (S-PAC), characterize the S-PAC and membranes, and test the performance of membrane in the presence of DCF. The membranes were prepared by the phase inversion method with different percentages of S-PAC (0.2, 0.6, 1.0, 3.0, and 5.0 wt%). The S-PAC was characterized by transmission electron microscopy (TEM), zeta potential (ZP), hydrodynamic diameter (HD), Fourier transform infrared spectroscopy using the attenuated total reflectance technique (FTIR-ATR) and scanning electron microscopy coupled to energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS). The membranes were characterized by scanning electron microscopy with field emission gun (SEM-FEG), water content and porosity, dimensional stability and evaluated by water flux tests, DCF rejection and static adsorption test. DCF concentration of all samples was determined by ultraviolet-visible (UV-vis) spectrophotometer. The results of the TEM characterizations of the S-PAC indicated the presence of micro and nanoparticles (~10 nm) and tending to form micrometric clusters. The measurement ZP resulted in an intermediate stability (~25 mV). The FTIR-ATR spectra of the membranes showed characteristic PAN spectrum, however, it was observed in the PAN/S-PAC membranes vibrational bands found in the S-PAC, which indicated interaction between the materials. There was no significant change in SEM-FEG images from the top view of membranes, however in the cross-section, the porosity and macrovoids size were increased. The hydrophilicity of the membranes increased slightly with the introduction of S-PAC. There was an increase in the water flux and in the DCF rejection efficiency with increasing amount of S-PAC, which resulted in 282.41 L m-2 h-1 (45% increase in PAN flux) and 45%, respectively for PAN(5.0), which obtained better performance. The results of static adsorption tests indicated that the mechanism of DCF rejection occurred predominantly by adsorption. There were indications that the PAN/S-PAC membranes formed a composite material, the PAN (3.0) presented the best study composition given the results. The purpose of this research was to provide a scientific contribution to development of new materials and technologies capable of removing endocrine disruptive from environmental matrices.