Porous chitosan membranes with high porosity shaped by solvent evaporation technique in water as a solvent and acetone as a non-solvent

Abstract

A quitosana é um dos biopolímeros de uso mais comum e um candidato promissor para a destilação por membrana. Uma membrana hidrofóbica porosa é necessária para esse processo, no qual normalmente são empregados polímeros sintéticos como PVDF ou PTFE. Neste trabalho, uma membrana porosa de quitosana foi sintetizada por evaporação de solvente, usando acetona como antissolvente. A membrana foi caracterizada pela molhabilidade (ângulo de contato, índice de inchamento), porosidade aberta, propriedades químicas (FTIR) e cristalográficas (DRX), análise térmica (DSC) e microestrutura (adsorção de N2, MEV-FEG). As melhores membranas obtidas foram testadas no teste de permeação de vapor por destilação. A concentração de sólidos totais e o teor de acetona empregado afetam fortemente as características da membrana. Os valores do ângulo de contato com a água indicam comportamento hidrofóbico moderado (? > 80°). Assim, maiores quantidades de quitosana ligadas à acetona tendem a aumentar a hidrofobicidade da membrana. Os valores de porosidade aberta obtidos estão entre 62 e 92%, de acordo com os parâmetros de processamento da solução. A concentração de acetona promove aumento da porosidade aberta, índice de inchamento, diminuição do ângulo de contato e índice de cristalinidade. Entretanto, as condições obtidas são adequadas para a aplicação de destilação por membrana. Os espectros de FTIR mostram a formação de grupos de superfície acetamido e mudanças no grau de desacetilação. Portanto, existe uma interação da acetona com os grupos funcionais de superfície da quitosana, e a diminuição obtida no grau de desacetilação pode estar associada à diminuição de grupos amino e, consequentemente, gerar um aumento no ângulo de contato das membranas com 1 e 2% de quitosana. A análise de DSC indica que há uma mudança na temperatura de degradação entre o pó precursor e as membranas de quitosana, porém, não há alterações significativas na Tg. A membrana possui poros em forma de fenda na faixa de meso e macroporosidade. A destilação por membrana testada com água destilada foi bem sucedida e forneceu um alto fluxo permeado (16,07 ? 51,62 kg·m-2·h-1), com um tempo de operação de 2,5 h e uma pressão de entrada de líquido (LEP) de 1,1 bar. Portanto, as membranas obtidas são boas candidatas para serem testadas em um efluente real, embora algumas melhorias nas condições de processamento e hidrofobicidade da membrana possam fornecer um LEP mais alto e um fluxo mais estável para uma destilação de membrana mais aprimorada com materiais à base de quitosana.

Abstract: Chitosan is one of the most common biopolymers and a promising candidate for membrane distillation. A porous hydrophobic membrane is required for this process, but synthetic polymers such as PVDF or PTFE are usually employed. In this work, a chitosan porous membrane was synthesized by solvent evaporation technique using acetone as a non-solvent. The membrane was characterized by wettability (contact angle, swelling index), open porosity, chemical (FTIR) and crystallographic properties (XRD), thermal analysis (DSC), and microstructure (N2 adsorption, FEG-SEM). The best membranes were tested in the vapor permeation test. The solids and acetone concentrations strongly affect the membrane features. Water contact angle values presented a moderate hydrophobic behavior (? > 80°). Higher chitosan amounts linked to acetone tend to improve membrane hydrophobicity. According to the solution processing parameters, the open porosity values obtained are between 62% and 92%. Acetone promotes an increase in open porosity, swelling index, and a decrease in contact angle and crystallinity index. However, the conditions obtained are suitable for membrane distillation application. FTIR spectra show the formation of acetamido surface groups and changes in the degree of deacetylation. Acetone acts against surface functional groups of chitosan, and the decrease obtained in the degree of deacetylation may be associated with lower amino groups and, consequently, an increase in contact angle for membranes with 1 and 2 wt% of chitosan. DSC analysis indicates a shift in degradation temperature between the precursor powder and chitosan membranes. However, no significant changes in Tg were noticed. Membrane possesses slit-like pores in the meso and macroporous range. The membrane distillation tested with distilled water was successful and provided a high permeate flux (16.07 ? 51.62 kg·m-2·h-1), with an operating time of 2.5 h and a liquid entry pressure (LEP) of 1.1 bar, making the chitosan-based membranes good candidates to be tested in real effluent separation. Nevertheless, some improvements in processing conditions and membrane hydrophobicity could provide a higher LEP and a stabilization flux for an enhanced membrane distillation with chitosan material.