Efeito da intercamada de nanopartículas de alumínio na formação do filme fino de poliamida em membranas de osmose reversa para a melhoria da resistência à bioincrustação

Abstract

A crescente demanda por água doce para as atividades humanas está colocando uma gradativa pressão em fontes convencionais de água. Com o aumento da preocupação com a sustentabilidade do suplemento de água, há um aumento no interesse de produzir água por fontes não alternativas como água do mar, água subterrânea e efluentes secundários. Tais fontes alternativas geralmente são caracterizadas pela elevada concentração de sais e contaminantes que necessitam ser removidos por processo de dessalinização por osmose reversa. Dessa forma, as incrustações em membranas de osmose reversa são um dos principais problemas envolvidos no custo da aplicação dessa tecnologia. Para contornar esse problema a modificação da superfície das membranas compósitas de filme fino de poliamida (TFC-PA, sigla em inglês para Thin film composite polyamide) tem-se mostrado uma estratégia interessante para diminuir da incrustação. A aplicação de uma intercamada composta de nanomateriais na superfície da membrana suporte como uma base para a polimerização interfacial de formação da poliamida, promove mudanças em suas propriedades, que podem resultar na melhoria de membranas de dessalinização. Estudos têm mostrado que a permeabilidade e a seletividade da membrana podem ser aumentadas com a utilização uma intercamada de nanomateriais. Por outro lado, o potencial do uso dessa abordagem para melhorar as propriedades da membrana de poliamida no que se refere à incrustação e bioincrustação são pouco compreendidas. Nesta tese, foi investigado como o uso de uma intercamada inédita de nanopartículas de alumínio (NP-Al) como base para o processo de polimerização interfacial afeta a propensão à bioincrustação e a incrustação orgânica das TFC-PA. O desempenho foi avaliado por ensaios estáticos de deposição de bactéria e proteína, assim como bioincrustação dinâmica em sistema de filtração por OR. Dentre as três concentrações de NP-Al testadas, a incorporação de NP-Al em baixa e média concentrações apresentaram redução na adesão de bactéria e proteína, enquanto que na maior concentração de NP-Al, ambas as adesões de bactéria e proteína aumentaram. Tendência similar foi observada em condições dinâmicas de filtração, com baixas e médias concentrações de NP-Al, apresentando menor declínio de fluxo e menor formação de biofilme comparado com o controle e com membranas com elevada concentração de NP-Al. A melhoria das propriedades anti-incrustantes dessas membranas foram correlacionadas com mudanças na energia livre de coesão da camada de poliamida formada sobre a intercamada de NP-Al. Os resultados demonstram que utilizando uma intercamada de NP-Al, a química da superfície da poliamida pode ser alterada de maneira a reduzir a incrustação da membrana. Contudo, há um limite na quantidade de NP-Al incorporada na intercamada, resultando no aumento da incrustação devido ao efeito da aglomeração da NP-Al na estrutura da poliamida. Os resultados dessa tese trazem novas percepções em como nanopartículas podem ser adicionadas como base para a polimerização interfacial da poliamida com o intuito de melhorar a performance de membranas de dessalinização sem exposição de nanopartículas na superfície.

Abstract: The growing demand for freshwater by human activities is putting an increasing pressure on conventional water sources. As concerns arise over the sustainability of water supply, there is an increased interest in producing clean water from alternative sources such as seawater, wastewater, or brackish water. These alternative sources are usually characterized by higher concentrations of salts and contaminants, which result in the need to use desalination processes by reverse osmosis. Fouling in reverse osmosis membranes is one of the main problems involved in the cost of applying this technology. Modification of the surface of thin film polyamide composite membranes (TFC-PA) has been shown to be an interesting strategy for reducing fouling. Applying an interlayer of nanomaterial to the support layer as a template to the interfacial polymerization results in a change in the polyamide properties that can be leveraged to improve the performance of desalination membranes. While studies have shown that permeability and selectivity can be increased using an interlayer of nanomaterials, the potential of using this approach to improve the polyamide properties relevant for fouling and biofouling control is less understood. In this dissertation, we investigated how using a novel interlayer of aluminum nanoparticles (Al-NP) to template the interfacial polymerization process affects the biofouling and organic fouling propensity of thin film composite membranes. Performance was measured by static bacteria and protein deposition assays as well as dynamic reverse osmosis biofouling experiments. Among the three Al-NP concentrations tested, the low and medium Al-NP loadings were found to reduce bacteria and protein adhesion while, at a high Al-NP loading, both bacteria and protein adhesion increased. A similar trend was observed in dynamic fouling conditions, with the low and medium Al-NP loadings experiencing less flux decline and lower biofilm volume on the membrane compared to the control or high Al-NP membrane. The superior antifouling properties of these membranes were correlated with the change in the free energy of cohesion of the polyamide layer formed on the Al-NP interlayer. Our results demonstrate that using an interlayer of Al-NP can alter the polyamide surface chemistry in a way that reduces membrane fouling; however, there is a threshold loading of Al-NP beyond which fouling propensity increases due to the effect of Al-NP agglomeration on the polyamide structure. The results shown in this dissertation provide useful insights into how nanoparticles can be added to the interlayer during interfacial polymerization to improve the performance of desalination membranes without exposing nanoparticles onto the surface.