Síntese e eletrofiação de PVP-co-PMMA para modificação de superfície de membrana de microfiltração

Abstract

Devido à crescente demanda por água doce mundial, há necessidade de se encontrar novas fontes de água, bem como a reutilização de água nos processos industriais. A utilização de membranas tem se mostrado interessante nos processos de purificação de água. Algumas vantagens dos processos de filtração são: construções compactas e menor custo, quando comparada aos processos convencionais de purificação. Entretanto, o grande desafio para os processos de filtração são as incrustações ocorridas nas membranas. Uma possibilidade de diminuir a incrustação é tornar a membrana mais hidrofílica, pois permite uma maior interação entre a superfície da membrana com as moléculas de água. Várias técnicas de modificação de membranas podem ser adotadas para diminuir a incrustação e melhorar o fluxo nas membranas como, por exemplo, enxerto, tratamento químico, revestimento, entre outros. Na sua maioria, as membranas poliméricas são produzidas pela técnica de inversão de fases, onde uma solução polimérica é convertida de maneira controlada a uma fase sólida. Uma alternativa que vem sendo explorada é o uso da técnica de eletrofiação para produção de membranas. As membranas produzidas por esta técnica são compostas por fibras ultrafinas sobrepostas umas nas outras. Estas membranas possuem características únicas, principalmente alta área superficial e alta porosidade. Entretanto, o grande desafio das membranas eletrofiadas é garantir a resistência mecânica, já que as membranas podem ser separadas durante o processo de filtração. Neste trabalho foi realizada a modificação da superfície de uma membrana de microfiltração de fluoreto de polivinilideno (PVDF) comercial, hidrofóbica, utilizando uma camada de fibras eletrofiadas de copolímero anfifílico, poli(vinilpirrolidona-co-metacrilato de metila) (PVP-co-PMMA). A escolha da PVP se deu por sua característica anti-incrustação de proteínas e por ser um polímero hidrofílico. Já o PMMA confere característica hidrofóbica, evitando que o copolímero seja lavado durante o processo de filtração. A síntese do copolímero ocorreu por meio de uma reação de polimerização em solução, utilizando dimetilformamida (DMF) como solvente a 80 ºC. Uma modificação superficial prévia da membrana com polidopamina (PDA) foi utilizada para conferir adesão da camada eletrofiada sobre a membrana hidrofóbica de PVDF. A membrana foi modificada com PDA por deposição durante 12 h. Logo após uma camada de PVP-coPMMA foi eletrofiada sobre a membrana de PVDF modificada com PDA. A membrana modificada PVDF/Eletrofiada apresentou uma superfície mais hidrofílica do que a membrana controle, bem como da membrana modificada com a deposição de PDA. A membrana de PVDF/Eletrofiada apresentou ainda, maior fluxo de água limpa e redução da incrustação durante o processo de filtração da emulsão óleo/água, quando comparada com a membrana controle de PVDF. Demonstrando que a utilização de uma modificação simples, frente as diversas técnicas convencionais para modificação do PVDF, formando uma membrana multicamadas, alcançou ótima recuperação de fluxo hidráulico, aumento de até 4 vezes o fluxo de água limpa, após o procedimento de limpeza da membrana, quando comparada a membrana controle.

Abstract: Due to the growing demand for fresh water worldwide, there is a need to find new sources of water, as well as the reuse of water in industrial processes. The use of membranes is interesting in water purification processes. Some advantages of filtration processes are compact construction and lower cost when compared to conventional purification processes. However, the great challenge for filtration processes is the incrustations that occur on the membranes. One possibility to reduce encrustation is to make the membrane more hydrophilic, as it allows greater interaction between the membrane surface and the water molecules. Several membrane modification techniques can be adopted to reduce fouling and improve membrane flux, such as grafting, chemical treatment, coating, among others. Most polymeric membranes are produced by the phase inversion technique, where a polymeric solution is converted in a controlled manner to a solid phase. An alternative that has been explored is the use of the electrospinning technique to produce membranes. The membranes produced by this technique are composed of ultra-fine fibers superimposed on one another. These membranes have unique characteristics, mainly high surface area, and high porosity. However, the great challenge of electrospinning membranes is to ensure mechanical strength, as the membranes can be separated during the filtration process. In this work, the surface modification of a commercial, hydrophobic polyvinylidene fluoride (PVDF) microfiltration membrane was performed, using a layer of electrospinning fibers of an amphiphilic copolymer, poly(vinylpyrrolidone-co-methyl methacrylate) (PVP-co-PMMA) ). PVP was chosen because of its anti-fouling characteristic of proteins and because it is a hydrophilic polymer. PMMA, on the other hand, provides a hydrophobic characteristic, preventing the copolymer from being washed during the filtration process. The synthesis of the copolymer took place through a polymerization reaction in solution, using dimethylformamide (DMF) as a solvent at 80 °C. A previous surface modification of the membrane with polydopamine (PDA) was used to confer adhesion of the electrospinning layer on the hydrophobic PVDF membrane. The membrane was modified with PDA by deposition for 12 h. Soon after, a layer of PVP-co-PMMA was electrospinning onto the PDA-modified PVDF membrane. The modified PVDF/Electrospinning membrane had a more hydrophilic surface than the control membrane, as well as the membrane modified with PDA deposition. The PVDF/Electrospinning membrane also presented higher clean water flow and reduced scale during the oil/water emulsion filtration process, when compared to the PVDF control membrane. Demonstrating that the use of a simple modification, compared to the various conventional techniques for modifying the PVDF, forming a multilayer membrane, achieved excellent hydraulic flow recovery, an increase of up to 4 times the clean water flow, after the membrane cleaning procedure, when compared to the control membrane.