Modificação superficial em membranas de ultrafiltração por tratamento com plasma frio e deposição polimérica

Abstract

A ultrafiltração (UF) é um processo bastante utilizado nas indústrias química, alimentícia e farmacêutica para purificar e concentrar compostos com o objetivo de não haver perdas das propriedades da solução filtrante. Nos processos de filtração, o soluto é constantemente adsorvido na superfície das membranas ou obstrui seus poros, causando diminuição do fluxo do permeado e, consequentemente, da vida útil da membrana. Neste trabalho, dois métodos de modificação de superfície, tratamento com plasma e deposição polimérica, foram utilizados para melhorar as propriedades anti­incrustantes e o desempenho de filtração das membranas de fluoreto de polivinilideno (PVDF) e polietersulfona (PES). O plasma foi utilizado como descarga de barreira dielétrica (DBD), utilizando ar ambiente como gás, pressão atmosférica e temperatura ambiente; os polímeros hidrofílicos foram polivinilpirrolidona (PVP) e polietilenoimina (PEI). A modificação das características da superfície após o tratamento com plasma em materiais poliméricos, e o fenômeno de reversibilidade/envelhecimento da superfície pós­plasma foram avaliados. Alterações na morfologia da superfície, topografia e molhabilidade das membranas foram observadas até sete dias após o tratamento, com tendência ao retorno às características iniciais das membranas. A combinação das técnicas de tratamento com plasma e deposição polimérica mostraram mudanças na química da superfície da membrana tratada pela incorporação de novos grupos funcionais na superfície. A diminuição da rugosidade da superfície das membranas tratadas com plasma e deposição foi observada a partir de análises topográficas e morfológicas. Todas as membranas tratadas apresentaram maior afinidade pela água e melhor desempenho, durante a ultrafiltração por 12 horas, em relação às não tratadas. Após a limpeza química, a recuperação do fluxo de água foi superior a 85% para todas as membranas tratadas, o que significa que a superfície possui propriedade anti­incrustante. As membranas foram também submetidas à ultrafiltração de uma solução real (soro de queijo bovino), e os resultados das permeações mostraram­se promissores com fluxos normalizados estáveis, demonstrando que alterações na superfície da membrana podem diminuir a ocorrência de incrustações e prolongar o ciclo de vida das membranas em processos industriais.

Abstract: Ultrafiltration (UF) is a process widely used in the chemical, food and pharmaceutical industries to purify and concentrate compounds with the objective of not losing the properties of the filtering solution. In filtration processes, the solute is constantly adsorbed on the surface of the membranes or clogs their pores, causing a decrease in the permeate flux and, consequently, in the life­cycle of the membrane. In this work, two surface modification methods, plasma treatment and polymer deposition, were used to improve the antifouling properties and filtration performance of polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyethersulfone (PES) membranes. The plasma was used as dielectric barrier discharge (DBD), using ambient air as gas, atmospheric pressure and ambient temperature; the hydrophilic polymers were polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyethyleneimine (PEI). The modification of surface characteristics after plasma treatment of polymeric materials, and the aging phenomenon ­ post­plasma surface reversibility ­ were evaluated. Changes in the surface morphology, topography and wettability of the membranes were observed up to seven days after treatment, with a tendency to return to the initial characteristics of the membranes. The combination of plasma treatment and polymer deposition techniques showed changes in the surface chemistry of the treated membrane by the incorporation of new functional groups on the surface. The surface smoothing of plasma­treated membranes and deposition was observed from topographic and morphological analyses. All treated membranes showed greater affinity for water and better performance during the 12­hour UF, compared to untreated membranes. After chemical cleaning, water flow recovery was over 85% for all treated membranes, which means that the surface has anti­fouling property. The membranes were also submitted to the UF of a real solution (beef cheese whey) and the permeation results were promising with stable normalized fluxes, demonstrating that changes in the membrane surface can decrease the occurrence of fouling and prolong the life cycle of the membranes in industrial processes.