Contribuição de nanopartículas de Fe3O4 para a incrustação da ultrafiltração com pré-coagulação

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 13067 (2015) Citar este artigo

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Um processo de coagulação (FeCl3)-ultrafiltração foi usado para tratar duas águas brutas diferentes com/sem a presença de contaminantes de nanopartículas de Fe3O4. Verificou-se que a existência de nanopartículas de Fe3O4 na água bruta aumenta a incrustação irreversível e reversível da membrana. O aumento da pressão transmembrana (TMP) foi semelhante nos estágios iniciais das corridas de membrana para ambas as águas brutas, enquanto aumentou rapidamente após cerca de 15 dias na água bruta com nanopartículas de Fe3O4, sugerindo o envolvimento de efeitos biológicos. A atividade microbiana aumentada com a presença de nanopartículas de Fe3O4 foi evidente a partir das concentrações medidas de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) e ácido desoxirribonucléico (DNA) e intensidades de fluorescência. Especula-se que as nanopartículas de Fe3O4 se acumularam na camada da torta e aumentaram o crescimento bacteriano. Associado ao crescimento bacteriano está a produção de EPS que aumenta a ligação com e entre os flocos coagulantes; O EPS, juntamente com tamanhos menores das partículas primárias em nanoescala da camada de bolo Fe3O4-CUF, levou à formação de uma porosidade mais baixa, camada de bolo mais resiliente e bloqueio dos poros da membrana.

Os sistemas de membrana de ultrafiltração (UF) estão sendo aplicados cada vez mais no tratamento de águas subterrâneas e superficiais devido à sua capacidade de produzir água potável de alta qualidade de forma econômica, principalmente para a remoção de bactérias e vírus. No entanto, acredita-se que a presença de matéria orgânica natural (NOM) nessas águas, tipicamente composta por uma mistura complexa de ácidos húmicos e fúlvicos, proteínas e carboidratos, seja a principal incrustação da membrana1,2. Correlações razoavelmente boas foram mostradas entre a presença dessas substâncias orgânicas e a taxa de incrustação irreversível para operações de UF de longo prazo, especialmente com relação ao conteúdo de biopolímero, como substâncias semelhantes a proteínas e polissacarídeos3,4. Alguns pesquisadores concluíram que, depois da matéria orgânica, o óxido férrico e a sílica são os incrustantes mais comuns, seguidos pela alumina e pelo sulfato de cálcio5.

Uma tendência de aumento do uso de nanopartículas comerciais é evidente nos últimos anos e há uma preocupação crescente com os problemas ambientais associados, uma vez que são sintetizadas e usadas em larga escala, levando à contaminação de corpos d'água naturais, como pelo lançamento de nanopartículas de Fe3O4 modificadas dispersivas6. Por exemplo, algumas nanopartículas incorporadas em artigos de vestuário podem ser lançadas na água e, posteriormente, influenciar a operação de estações de tratamento de águas residuais (ETEs)7. Uma preocupação adicional é que as nanopartículas podem absorver ou incorporar metais tóxicos e transportar toxinas a jusante8. Portanto, a remoção dessas nanopartículas da água contaminada é de grande importância e a filtração por membrana, como processo de separação de partículas, é em princípio um método eficaz. No entanto, é possível que as nanopartículas possam exacerbar a incrustação da membrana, pois os tamanhos das nanopartículas são próximos aos dos poros da membrana de ultrafiltração.

A fim de controlar a incrustação da membrana e remover as nanopartículas, muitos métodos têm sido usados ​​para evitar que os materiais orgânicos incrustados e as nanopartículas atinjam a membrana, como a troca iônica (IX)9 e o revestimento de óxido de ferro10. A coagulação química "em linha" ou a floculação por coagulação-hidráulica tem se mostrado uma maneira eficaz não apenas de melhorar a qualidade geral da água, mas também de controlar a incrustação da membrana11,12,13. A adição de cloreto de polialumínio teve um impacto positivo na redução da incrustação hidraulicamente irreversível por esses constituintes3. No entanto, o processo de coagulação produz uma camada de torta e muitos estudos experimentais e operações práticas indicaram que a formação da camada de torta é a principal causa da incrustação da membrana14,15,16. Portanto, as características da camada de torta devem ser exploradas e principalmente a presença de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) e bactérias.