Desenvolvimento de membranas de poli(fluoreto de vinilideno/poli(etilenoglicol) com carvão ativado e grafeno para a recuperação de água de efluente têxtil via destilação por membranas

Abstract

O presente trabalho avaliou a metodologia de produção de membranas de Poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) por inversão de fases, visando sua aplicação em Destilação por Membranas por Contato Direto (DMCD). A metodologia proposta permitiu a confecção de uma membrana com solução de 15% (m/m) de PVDF 1% (m/m) de Poli(etilenoglicol) 400 (PEG) em N, N - dimetilformamida (DMF) e espessura de espalhamento de 0,36 mm, além de Membranas de Matriz Mista (MMM) compostas de matriz polimérica de PVDF com partículas dispersas - Carvão Ativado (CA) ou Grafeno (G), em proporções mássicas na faixa de 0 a 3%. As membranas foram caracterizadas por meio de análises de Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia de Raio-X por Energia Dispersiva (MEV-EDS), Espectroscopia de Infravermelho por Refletância Total Atenuada (FTIR-ATR), Potencial Zeta de Superfícies, Microscopia de Força Atômica (AFM), ângulo de contato, espessura e porosidade. Os resultados mostraram que a adição de CA ou G produz membranas com maior porosidade do que uma membrana comercial ou sem adição desses materiais. Além de as membranas modificadas com CA ou G serem mais porosas, elas também apresentaram excelentes rejeição de corante devido a repulsão de cargas da superfície das membranas e das soluções avaliadas pelas análises de Potencial Zeta. A permeabilidade das membranas aumentou em até 55,78%, sendo os melhores resultados obtidos com adição de 0,25% de CA e G. Observou-se que o fluxo de permeado é afetado negativamente pela presença do surfactante no efluente têxtil simulado e que concentrações de CA e G mais elevadas como a de 3,00% também afetam negativamente o fluxo de permeado devido às superfícies mais densas observadas para essas membranas nas análises de MEV e AFM. A presença de CA também afetou o desempenho energético do processo, observando-se eficiências térmicas superiores a 90%. Os melhores resultados de parâmetros energéticos foram obtidos para a membrana com 1,00% de CA e com 0,25% de G, e os piores para as membranas com 3,00% de CA e G. As membranas também foram reutilizadas após a realização de uma limpeza química e não foi observada perda de sua capacidade de rejeição de corante, mostrando que podem ter reutilizadas por mais de um ciclo. As membranas de 1,00% de CA e 0,25% de G foram testadas para dessalinização de água em testes com soluções com 35 g/L de NaCl apresentando rejeição de 100% de sal, ampliando as possibilidades de aplicação das membranas para o tratamento de água em DM.

Abstract: The present work evaluated the methodology for the production of Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes by phase inversion, aiming its application in Direct Contact Membrane Distillation (DCMD). The proposed methodology allowed the fabrication of a membrane with a solution of 15% (m/m) of PVDF and 1% (m/m) of Poly(ethylene glycol) 400 (PEG) in N, N - dimethylformamide (DMF) and spread thickness of 0.36 mm, and Mixed Matrix Membranes (MMM) composed of PVDF polymer matrix with dispersed particles - Activated Carbon (AC) or Graphene (G), in mass proportions ranging from 0 to 3%. The membranes were characterized by Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM-EDS), Attenuated Total Reflectance Infrared Spectroscopy (FTIR-ATR), Zeta potential of surfaces, Atomic Force Microscopy (AFM), contact angle, thickness and porosity. The results showed that the addition of AC or G produces membranes with greater porosity than a commercial membrane or without the addition of these materials. In addition to the membranes modified with AC or G being more porous, they also showed excellent dye rejection due to charge repulsion from the surface of membranes and solutions evaluated by zeta potential analysis. The permeability of the membranes increased by up to 55.78%, with the best results obtained with the addition of 0.25% of AC and G. It was observed that the permeate flux is negatively affected by the presence of surfactant in the simulated textile effluent and that higher concentrations of AC and G such as 3.00% also negatively affect the permeate flux due to the denser surfaces observed for these membranes in the SEM and AFM analyzes. The presence of AC also affected the energy performance of the process, with thermal efficiencies above 90%. The best results for energy parameters were obtained for the membrane with 1.00% AC and 0.25% G, and the worst for the membranes with 3.00% AC and G. The membranes were also reused after performing a chemical cleaning and no loss of their dye rejection capacity was observed, showing that they can be reused for more than one cycle. The membranes with 1.00% of AC and 0.25% of G were tested for desalination of water in tests with solutions with 35 g/L of NaCl showing rejection of 100% of salt, expanding the possibilities of application of membranes for the treatment of water in MD.