Utilização de membranas poliméricas de politetrafluoretileno (PTFE) funcionalizadas em sistema de microfiltração para remoção de cor de soluções aquosas

Abstract

A água é um recurso essencial à vida no planeta e desempenha papel fundamental no desenvolvimento social, econômico, ambiental e sanitário de um país. Além disso, a água é um dos recursos mais consumidos na produção da indústria têxtil, principalmente nas etapas de preparação da matéria-prima, tingimento e beneficiamento têxtil, gerando uma grande quantidade de efluentes líquidos altamente contaminados por corantes sintéticos, os quais apresentam elevada toxicidade e resistência à degradação. Quando não tratados de forma adequada, esses efluentes podem comprometer a qualidade dos corpos hídricos e ocasionar impactos prejudiciais ao meio ambiente. Nesse sentido, os Processos de Separação por Membranas (PSM) destacam-se como uma alternativa eficiente para o tratamento desses efluentes. Porém ainda existem desafios relacionados à incrustação, à queda da permeância e à baixa seletividade, que afetam o desempenho e a eficiência do processo. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo a utilização de membranas poliméricas comerciais de PTFE funcionalizadas com óxido de ferro (III) (Fe2O3), óxido de grafeno (GO) e grafeno comercial (GC), as quais foram avaliadas em um sistema de microfiltração em escala de bancada, propondo à remoção do corante preto ácido. Os materiais utilizados na funcionalização foram caracterizados por Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier com Reflectância Total Atenuada (ATR-FTIR), Difração de Raios-X (DRX) e por Espectroscopia de Absorção na região do Ultravioleta e Visível (UV-VIS). As membranas, antes e após a funcionalização, foram avaliadas por ATR-FTIR, espessura, ângulo de contato e por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Os ensaios de filtração foram realizados avaliando-se a permeância, o fluxo de permeado e a taxa de rejeição do corante. Os resultados das análises químicas, mineralógicas e das propriedades ópticas evidenciaram a presença das principais ligações químicas, fases cristalinas características e comportamento óptico compatíveis com os materiais analisados, validando sua aplicação na funcionalização das membranas. As membranas funcionalizadas apresentaram moderada a alta carga superficial de materiais particulados, mantendo a integridade físico-química da membrana comercial de PTFE antes da impregnação. Além disso, os resultados da espessura e ângulo de contato apresentaram correlação com a quantidade de material depositado na superfície das membranas funcionalizadas, variando entre 0,159 mm e 0,206 mm de espessura e entre 117,10 ° a 122,28 ° de ângulo de contato para as membranas funcionalizadas, e 0,142 mm e 114,01 ° para as membranas antes da impregnação. As análises químicas e morfológicas mostraram a presença de grupos funcionais associados à membrana de PTFE e às cargas orgânicas, evidenciando o comportamento de deposição dos materiais na superfície das membranas. Os resultados das membranas após o teste de filtração apresentaram alterações em relação à espessura e ao ângulo de contato, variando entre 0,160 mm a 0,205 mm de espessura e entre 81,50 ° a 110,66 ° de ângulo de contato para as membranas funcionalizadas, e 0,180 mm e 107,10 ° para as membranas antes da impregnação. As análises químicas e morfológicas demonstraram a integridade das membranas após a filtração, porém observou-se formação de fouling, com a presença de partículas aglomeradas, sugerindo adsorção pontual nas membranas funcionalizadas. Nesse sentido, os resultados de permeância e rejeição do corante sintético foram proporcionais à quantidade de material depositado superficialmente, indicando que as membranas modificadas apresentaram uma variação de permeância de 7,51 kg.m-2.h-1.bar-1 a 63,79 kg.m-2.h-1.bar-1 e de 153,53 kg.m-2.h-1.bar-1 para as membranas antes da impregnação. A taxa média de rejeição do corante variou entre 21,55 % a 84,10 % para as membranas funcionalizadas e 4,95 % para as membranas antes da impregnação, indicando que as membranas funcionalizadas adsorveram o corante preto ácido e contribuíram para a descoloração do efluente sintético em estudo. Assim, as membranas funcionalizadas mostraram-se promissoras para a remoção de corantes sintéticos, contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis destinadas à reutilização hídrica e à redução de impactos ambientais.

Abstract: Water is an essential resource for life on the planet and plays a fundamental role in the social, economic, environmental, and sanitary development of a country. In addition, water is one of the most consumed resources in the textile industry, particularly during the stages of raw material preparation, dyeing, and textile finishing, generating a large amount of liquid effluents highly contaminated with synthetic dyes, which exhibit high toxicity and resistance to degradation. When not properly treated, these effluents can compromise the quality of water bodies and cause harmful environmental impacts. In this context, ?Membrane Separation Processes (MSP) are an efficient alternative for the treatment of these effluents; however, challenges related to fouling, permeance decline, and low selectivity still affect the performance and efficiency of the process. In this context, the present study aimed to evaluate the use of commercial polymeric PTFE membranes functionalized with iron (III) oxide (Fe2O3), graphene oxide (GO), and commercial graphene (CG), which were evaluated in a bench-scale filtration system for acid black dye removal. The materials used for functionalization were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflectance (ATR-FTIR), X-ray Diffraction (XRD), and Ultraviolet?Visible (UV-VIS) absorption spectroscopy. The membranes, before and after functionalization, were evaluated by ATR-FTIR, thickness, contact angle, and Scanning Electron Microscopy (SEM). Filtration experiments were performed evaluating permeance, permeate flux, and dye rejection rate. The results of chemical, mineralogical, and optical property analyses evidenced the presence of the main chemical bonds, characteristic crystalline phases, and optical behavior consistent with the analyzed materials, validating their application in membrane functionalization. The functionalized membranes exhibited moderate to high surface loading of particulate materials, while maintaining the physicochemical integrity of the commercial PTFE membrane prior to impregnation. In addition, thickness and contact angle results showed a correlation with the amount of material deposited on the membrane surface, ranging from 0.159 mm to 0.206 mm in thickness and 117.10 ° to 122.28 ° in contact angle for the functionalized membranes, and 0.142 mm and 114.01° for the membranes before impregnation. Chemical and morphological analyses indicated the presence of functional groups associated with the PTFE membrane and organic loadings, evidencing the deposition behavior of the materials on the membrane surface. After filtration tests, the membranes showed changes in thickness and contact angle, ranging from 0.160 mm to 0.205 mm in thickness and 81.50 ° to 110.66 ° in contact angle for the functionalized membranes, and 0.180 mm and 107.10 ° for the membranes before impregnation. Chemical and morphological analyses demonstrated that the membranes maintained their integrity after filtration; however, fouling formation with the presence of agglomerated particles was observed, suggesting localized adsorption on the functionalized membranes. In this sense, permeance and synthetic dye rejection results were proportional to the amount of material deposited on the membrane surface, indicating that the modified membranes exhibited permeance values ranging from 7.51 kg·m-2·h -1·bar-1 to 63.79 kg·m-2·h-1·bar-1, while the membranes before impregnation presented 153.53 kg·m-2·h -1·bar-1. The average dye rejection rate ranged from 21.55 % to 84.10 % for the functionalized membranes and 4.95 % for the membranes before impregnation, indicating that the functionalized membranes adsorbed the acid black dye and contributed to the discoloration of the synthetic effluent under study. Thus, the functionalized membranes proved to be promising for the removal of synthetic dyes, contributing to the development of sustainable technologies aimed at water reuse and the reduction of environmental impacts.