Purificação de água aprimorada por membrana de ultrafiltração PVDF modificada com GO

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8076 (2023) Citar este artigo

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Este trabalho apresenta uma membrana de ultrafiltração de fluoreto de polivinilideno (PVDF) modificada misturada com hidrogel (HG) de óxido de grafeno-álcool polivinílico-alginato de sódio (GO-PVA-NaAlg) e polivinilpirrolidona (PVP) preparada pela abordagem de inversão de fase induzida por precipitação por imersão. As características das membranas com diferentes concentrações de HG e PVP foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FESEM), microscopia de força atômica (AFM), medição de ângulo de contato (CA) e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier de refletância total atenuada (ATR-FTIR). As imagens do FESEM mostraram uma estrutura assimétrica das membranas fabricadas, possuindo uma fina camada densa na parte superior e uma camada em forma de dedo. Com o aumento do teor de HG, a rugosidade da superfície da membrana aumenta de modo que a maior rugosidade superficial para a membrana contendo 1% em peso de HG é com um valor Ra de 281,4 nm. Além disso, o ângulo de contato da membrana atinge de 82,5° na membrana de PVDF nua a 65,1° na membrana contendo 1% em peso de HG. As influências da adição de HG e PVP à solução de fundição no fluxo de água pura (PWF), hidrofilicidade, capacidade antiincrustante e eficiência de rejeição de corante foram avaliadas. O maior fluxo de água atingiu 103,2 L/m2 h a 3 bar para as membranas de PVDF modificado contendo 0,3% em peso de HG e 1,0% em peso de PVP. Esta membrana exibiu uma eficiência de rejeição superior a 92%, 95% e 98% para Laranja de Metila (MO), Vermelho Conge (CR) e Albumina de Soro Bovino (BSA), respectivamente. Todas as membranas nanocompostas possuíam uma taxa de recuperação de fluxo (FRR) superior às membranas de PVDF nu, e o melhor desempenho antiincrustante de 90,1% foi relevante para a membrana contendo 0,3% em peso de HG. O melhor desempenho de filtração das membranas modificadas com HG foi devido ao aumento da hidrofilicidade, porosidade, tamanho médio dos poros e rugosidade superficial após a introdução do HG.

A água é uma fonte viva vital de que os organismos precisam para sobreviver; no entanto, apenas uma quantidade limitada de água disponível contém água doce1,2. Um dos principais poluentes nas águas residuais libertadas por diversas indústrias, principalmente têxteis e papel, são os corantes que causam riscos para a saúde humana e criam problemas ambientais prejudiciais3. Os corantes da indústria têxtil apresentam alto peso molecular, não biodegradabilidade, reagentes tóxicos e estruturas complexas. Além disso, os corantes como barreira à emissão de luz perturbam o crescimento das plantas aquáticas; portanto, o tratamento desses efluentes é vital4,5. Os métodos comuns para o tratamento de águas residuais contendo corantes incluem oxidação química/fotocatalítica, adsorção, separação por membrana e coagulação6. Devido à alta necessidade de energia e à reutilização limitada das tecnologias de tratamento convencionais, os processos de separação por membranas com alta eficiência, facilidade de operação e consumo reduzido de energia têm recebido mais atenção7,8. Os processos de membrana baseados na força de pressão incluem microfiltração (MF)9,10, ultrafiltração (UF)11, nanofiltração (NF)12 e osmose reversa (RO)13. A técnica de UF é amplamente empregada no tratamento de águas poluídas com diferentes corantes14.

O fluoreto de polivinilideno (PVDF) é uma substância adequada para a fabricação de membranas poliméricas de UF devido à sua boa resistência química, estabilidade térmica e resistência mecânica . As membranas de PVDF são relativamente hidrofóbicas ou menos hidrofílicas, causando assim a incrustação da membrana por proteínas e matérias orgânicas durante o tratamento de águas residuais. A incrustação da membrana reduz sua vida útil e o fluxo de água, ao mesmo tempo que aumenta os custos de energia16. Conseqüentemente, a hidrofilicidade da membrana é significativamente diminuída9. Várias técnicas podem melhorar a hidrofilicidade e as características anti-incrustantes de tais membranas; por exemplo, nanopartículas inorgânicas foram incorporadas na matriz da membrana, resultando em maior hidrofilicidade e antiincrustante. Wu et al. sintetizaram a membrana composta PVDF-SiO2 através da abordagem de inversão de fase (PI), exibindo que a adição de SiO2 melhorou a resistência à incrustação da membrana . Yan et al. sintetizaram membranas modificadas de PVDF/Al2O3 através do método PI. As análises de AFM e SEM demonstraram que as nanopartículas de Al2O3 melhoraram o desempenho antiincrustante da membrana e o fluxo de permeação em comparação com a membrana não modificada . Outras nanopartículas incluem dióxido de titânio (TiO2)19, óxido ferroférrico (Fe3O4)20, nanotubos de carbono (CNTs)21 e óxido de grafeno (GO)22, que têm sido utilizados na fabricação de membranas para remover corantes com sucesso.