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

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8076 (2023) Citar este artigo

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Este trabalho apresenta uma membrana de ultrafiltração modificada de fluoreto de polivinilideno (PVDF) 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 por emissão de campo (FESEM), microscopia de força atômica (AFM), medição de ângulo de contato (CA) e espectroscopia infravermelha de transformada de Fourier de refletância total atenuada (ATR-FTIR). As imagens da FESEM mostraram uma estrutura assimétrica das membranas fabricadas, possuindo uma camada fina e densa na parte superior e uma camada semelhante a um dedo. Com o aumento do teor de HG, a rugosidade da superfície da membrana aumenta de modo que a maior rugosidade da superfície para a membrana contendo 1% em peso de HG é com um valor de 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. Foram avaliadas as influências da adição de HG e PVP à solução de vazamento no fluxo de água pura (PWF), hidrofilicidade, capacidade anti-incrustante e eficiência de rejeição de corantes. O maior fluxo de água atingiu 103,2 L/m2 h a 3 bar para as membranas de PVDF modificadas 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 Methyl Orange (MO), Conge Red (CR) e Bovine Serum Albumin (BSA), respectivamente. Todas as membranas de nanocompósitos possuíam uma taxa de recuperação de fluxo (FRR) maior do que as membranas de PVDF nuas, e o melhor desempenho anti-incrustante 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 à maior hidrofilicidade, porosidade, tamanho médio dos poros e rugosidade da superfície após a introdução de HG.

A água é uma fonte viva vital que os organismos precisam para sobreviver; no entanto, apenas uma quantidade limitada de água disponível contém água doce1,2. Um dos principais poluentes das águas residuais lançadas por diversas indústrias, principalmente têxteis e de papel, são os corantes que causam riscos à saúde humana e criam problemas ambientais prejudiciais3. Os corantes da indústria têxtil possuem alto peso molecular, não biodegradabilidade, reagentes tóxicos e estruturas complexas. Além disso, os corantes como barreira à emissão de luz atrapalham o crescimento das plantas aquáticas; portanto, o tratamento desses efluentes é vital4,5. Métodos comuns para o tratamento de águas residuais contendo corantes incluem oxidação química/fotocatalítica, adsorção, separação por membrana e coagulação6. Devido ao alto requisito de energia e à capacidade de reutilização limitada das tecnologias de tratamento convencionais, os processos de separação por membrana com alta eficiência, facilidade de operação e consumo reduzido de energia receberam 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 mecânica15. 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 fluxo de água enquanto aumenta os custos de energia16. Assim, 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 à matriz da membrana, resultando em maior hidrofilicidade e anti-incrustação. Wu e outros. sintetizou a membrana composta de PVDF-SiO2 por meio da abordagem de inversão de fase (PI), exibindo que a adição de SiO2 melhorou a resistência à incrustação da membrana17. Yan et ai. sintetizaram membranas PVDF/Al2O3 modificadas através do método PI. As análises de AFM e SEM demonstraram que as nanopartículas de Al2O3 melhoraram o desempenho anti-incrustante da membrana e o fluxo de permeação em comparação com a membrana não modificada18. 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.