Modification of commercial polymeric membranes via electrospraying for membrane distillation applications aiming to water recovery from textile wastewater

Abstract

A complexidade do efluente têxtil, relacionada a grande quantidade de solutos em sua composição, faz com que processos convencionais de tratamento não apresentem completa degradação e gerem um volume crítico de lama, além de baixa qualidade da água resultante. O processo de Destilação por Membranas (DM) apresenta-se como uma alternativa promissora para a recuperação e reinserção da água deste efluente no processo, visto que possibilita a utilização de calor residual do processo de tingimento, resultando em um permeado de alta qualidade. Entretanto, alguns desafios para a consolidação desta tecnologia persistem, relacionados a fenômenos do processo, como a incrustação e o molhamento. A baixa resistência ao molhamento das membranas comerciais faz com que a DM ainda não seja capaz de ser aplicada à totalidade de componentes dos efluentes têxteis, como algumas classes de corantes e aditivos utilizados, como surfactantes. Neste contexto, este trabalho visou a modificação de membranas comerciais de poliamida (PA) e polipropileno (PP) utilizando a técnica de electrospraying, com blendas poliméricas contendo PVDF, PDMS com ou sem agente de cura e nanopartículas de sílica, em solução de THF:DMF 1:1, com o intuito de aumentar a hidrofobicidade e a resistência ao molhamento. A influência da concentração de polímero, cura do polímero, tempo de exposição sob o spray e concentração de nanopartículas de sílica na hidrofobicidade das membranas foram avaliadas. Ângulos de contato de 167,13º e 144,07º foram obtidos para as membranas de PA e PP, respectivamente, e estas foram caracterizadas em termos de estrutura morfológica e química (FTIR, MEV, EDX), estudo térmico (DSC), espessura, porosidade, ângulo de contato com diferentes soluções e Potencial Zeta. O potencial de remoção das membranas modificadas foi avaliado em operações de Destilação por Membranas por Contato Direto (DCDM), durante 4 h, em condições operacionais fixas. A membrana modificada de PP com a solução de porcentagem mássica 2% PVDF e 6% Sylgard (PDMS curado) foi testada com quatro diferentes classes de corantes utilizados industrialmente (reativo, disperso, direto e ácido), e apresentou fluxos de 29,7, 44,85, 29,79 e 35,41 kg m-2 h-1, respectivamente, com redução máxima de 11,6% em relação ao fluxo da membrana de PP pura. As taxas de rejeição obtidas para a membrana modificada foram maiores que 95%, e maiores que as taxas de rejeição da membrana pura com as diferentes classes de corantes. A cura do polímero PDMS, combinada com a estrutura rugosa obtida através do electrospraying, diminuiu o potencial zeta da membrana modificada na faixa de pH das soluções testadas, contribuindo para uma maior resistência ao molhamento e maior potencial de remoção de corantes. A membrana modificada de PA com a solução de porcentagem mássica 2% PVDF, 10% PDMS e 20% de nanopartículas de sílica apresentou fluxos mais baixos devido sua estrutura densa. Foi testada com os componentes do banho de tingimento de algodão (corante preto reativo e surfactante), resultando em fluxo de 0,6 e 0,39 kg m-2 h-1, respectivamente, e em taxas de rejeição superiores ao da PA pura. Este aspecto foi observado principalmente com a solução de surfactante, onde o início do molhamento foi evidenciado na membrana de PA pura. A membrana modificada de PA apresentou uma propriedade anti-incrustante mediante à deposição de corante em sua superfície. A modificação de membranas comerciais visando a criação de estruturas mais hidrofóbicas viabilizou a operação DCMD com diferentes classes de corantes e soluções de baixa tensão superficial (surfactante), com maior resistência ao molhamento e maior potencial de remoção de corante, sem comprometer a estrutura química e morfológica das membranas. Neste trabalho, a modificação das membranas comprovou a potencialidade do processo DCMD para recuperação de água de soluções contendo solutos do efluente têxtil.

Abstract: The conventional processes of textile wastewater treatment show a not-completely effluent degradation and generates high sludge-volume, due to the high complexity of this effluent, related to the great number of solutes in its composition. The process of Membrane Distillation (MD) consists of a promisor alternative to water recuperation from textile wastewater and its reinsertion in the process. It enables the utilization of waste heat from the dyeing process and results in a high-quality permeate. However, some challenges to the consolidation of this technique persist, related to the fouling and wetting phenomena. The low wetting resistance of the commercial membranes makes the DM process not applicable to the whole textile effluents compounds, such as some classes of dyes and additives employed in the process, i.e., surfactants. In this context, this work aimed at the membrane modification of polyamide (PA) and polypropylene (PP) membranes, using electrospraying technique through the incorporation of polymeric blends on the membrane surface, with PVDF, cured or not-cured PDMS, and silica nanoparticles (Si NPs) in THF: DMF (1:1) solutions. The main goal of modifications was the hydrophobicity improvement and achievement of anti-wetting property. The influence of polymer and Si NPs concentration, polymer curing, and time under the spray were evaluated. Water contact angles of 167.13º and 144.07º were obtained to PA and PP membranes, respectively. These membranes were characterized in chemical and morphological structures (FTIR, SEM, and EDX), thermal analysis (DSC), membrane thickness and porosity, contact angle against different solutions, and Zeta Potential. The removal potential of modified membranes was evaluated in a Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) operation, during four hours, in a fixed operational condition. The modified PP membrane using 2% PVDF and 6% Sylgard (cured PDMS) was tested with four different industrial dye classes (Reactive, Disperse, Direct, and Acid) and presented permeate fluxes of 29.7, 44.85, 29.79 e 35.41 kg m-2 h-1, respectively. The flux was reduced at most 11.9% comparing to the pristine PP membrane. The rejection rates reached more than 95%, and they were higher than the rejection rates of pristine PP against the different classes of dyes. The polymer curing, combined with the high roughness and hydrophobic structure obtained through electrospraying, decreased the zeta potential of the modified membrane in the pH range of dye solutions, contributing to a high wetting resistance and high rejection rates without loses in membrane porosity. The PA modified membrane using 2% PVDF, 10% PDMS, and 20% Si NPs showed lower permeate fluxes due to its dense structure. It was tested with a cotton dyeing bath compounds (reactive black dye and surfactant), resulting in permeate fluxes of 0.6 and 0.39 kg m-2 h-1. Higher rejection rates than the pristine PA membrane were achieved, mainly dealing with the surfactant solution, where the PA membrane has been beginning wetted. The PA modified membrane achieved an antifouling property against the deposition of dye particles. The modification of commercial membranes aiming to create more hydrophobic structures enabled the DCMD operation with different dye classes and low surface tension solutions (detergent), with higher wetting resistance and higher removal potential, without compromising the chemical and morphological structure of the membranes. In this work, the membrane modification proved the DCMD process?s potentiality in water recuperation from solutions containing textile wastewater solutes.