Development of photocatalytic ceramic membranes with antifouling properties applied to effluent treatment

Abstract

O tratamento de águas residuais é uma grande e crescente preocupação ambiental e de saúde. Grande parte dos efluentes produzidos não é tratada ou é tratada por processos convencionais que frequentemente não atingem a eficiência desejada. Os processos de separação por membranas surgiram como uma importante tecnologia para aumentar a eficiência destes tratamentos. Contudo, a incrustação (fouling) das membranas é um problema nesses processos. A viabilidade econômica das membranas cerâmicas pode ser aumentada combinando engenharia da morfologia da membrana com propriedades de superfície aprimoradas, resultando em alta permeabilidade e propriedades antiincrustantes. Assim, este estudo foi dividido em duas etapas principais para este fim. Primeiro, um processo combinado de tape casting e inversão de fases foi utilizado para produzir membranas de alumina altamente permeáveis para microfiltração utilizando uma única etapa de sinterização. Caracterização morfológica, mecânica e textural foi realizada. Poros superficiais grandes (0.30?0.42 µm), fluxo de água pura de 52,4 e 26,60 m3 m-2 h -1 a 1 bar, e resistência à flexão máxima de 27,60 e 41,11 MPa foram alcançados para membranas produzidas a partir de pastas contendo 45 e 50% (m/m) de alumina, respectivamente. Simulações de permeabilidade realizadas a partir de imagens de microtomografia computadorizada comprovaram que a permeabilidade é influenciada principalmente pela morfologia da camada superior e inferior. Na segunda etapa, a deposição de TiO2 foi investigada a fim de produzir membranas fotocatalíticas com propriedades anti-incrustantes para tratamento de efluentes. As membranas fotocatalíticas produzidas foram caracterizadas por MEV/EDS, DRX, Raman, além de avaliação de atividade fotocatalítica, filtração e proprieadades antifouling. Magnetron sputtering foi utilizado para produzir membranas fotocatalíticas de TiO2/Al2O3 com camadas de revestimento de 50 a 400 nm. O aumento da espessura do revestimento melhorou a seletividade da membrana durante a filtração da remoção do azul de metileno (MB) e 86% de remoção de MB foi obtida. Sob irradiação ultravioleta, o revestimento foi capaz de restaurar o fluxo de membrana degradando a incrustação formada sobre o filme de 200 e 400 nm. Separadamente, membranas foram funcionalizadas por sol-gel dip-coating sem modificar a morfologia da superfície original das membranas. A atividade fotocatalítica foi comprovada através da decomposição do MB em sistema de batelada, enquanto as propriedades anti-incrustantes foram investigadas usando acetaminofeno como poluente alvo. O processo de filtração fotocatalítica utilizando a membrana com TiO2 para filtrar o fármaco sob luz UV (? = 365 nm, 10 W) resultou em um aumento de 3,7 vezes no volume do permeado para um mesmo período de filtração em comparação com a membrana de Al2O3 sem irradiação. Além disso, a modelagem de incrustação provou uma redução na constante de incrustação, enquanto seus mecanismos não foram modificados. Ambas as técnicas de revestimento foram capazes de produzir revestimento com 100% de fase anatase. Remoção de até 87% de TOC para filtração de efluentes oleosos foi alcançada, porém as capacidades anti-incrustantes para este tipo de efluente não foram observadas devido à incrustação dentro dos poros e à atenuação da luz pela espessa camada de óleo formada na superfície da membrana.

Abstract: The treatment of wastewater is a major and growing environmental and health concern. Much of the produced effluent is not treated or is treated using conventional processes that frequently fail to achieve the desired efficiency. Membrane separation processes have emerged as an important technology to treat wastewater. However, fouling is a significant issue in the membrane process, clocking membrane pores and reducing membrane performance. Ceramic membranes' economic viability could be increased by combining membrane morphology engineering with improved surface properties, resulting in high permeability and antifouling properties. This study was divided into two main objectives for this purpose. First, the goal of this research was to combine tape casting and phase inversion techniques to create highly permeable alumina membranes suitable for microfiltration in a single sintering step. Morphological, mechanical, and textural characterization was carried out. Ceramic membranes with large pore sizes of the skin layer (0.30?0.42 µm) were produced. Pure water flux of 52.4 and 26.60 m3 m-2 h -1 at 1 bar, and 27.60 and 41.11 MPa maximum flexural strength were achieved for membranes produced from slurries containing 45 and 50 wt% alumina, respectively. Simulations of permeability carried out from X-ray micro-computed tomography images in three axes proved that permeability is mainly influenced by the top skin and bottom layer morphology, which is in agreement with the experimental results. Secondly, membrane surface functionalization with TiO2 was investigated to produce photocatalytic membranes with antifouling properties for effluent treatment. SEM, TG/DTA, XRD, Raman, photocatalytic activity, and filtration experiments were performed. Magnetron sputtering was used to produce photocatalytic TiO2/Al2O3 membranes with coating layers from 50 to 400 nm. Dense films were produced and coating thickness modification improved membrane selectivity during filtration of MB removal. Under ultraviolet irradiation, the coating was able to restore membrane flux by degrading the fouling formed by MB, with selectivity reaching up to 86% of MB removal for the thickest TiO2 thin film. In turn, sol-gel dip-coating was used to produce photocatalytic membranes without modifying the original surface morphology of the Al2O3 membranes. The photocatalytic activity was proved through methylene blue decomposition in a batch system, while photocatalytic antifouling properties were investigated using acetaminophen as the target pollutant. The photocatalytic filtration process using the TiO2 membrane to filtrate the drug under UV light (? = 365 nm LED, 10W) resulted in a 3.7- fold increase in permeate volume for the same filtration period compared to the bare membrane without irradiation. Furthermore, fouling modeling proved a reduction in fouling constant, while fouling mechanisms were not modified. Both coating techniques were able to produce a coating with a 100% anatase phase. Although membranes were capable of removing up to 87% TOC for oily wastewater filtration, antifouling capabilities for this type of effluent were not observed for the photocatalytic membranes mainly due to fouling inside the pores and light attenuation due to the thick fouling layer on the membrane surface.