Development of advanced mixed matrix membranes based on polyetherimide and zeolite

Abstract

A tecnologia baseada em membranas é conhecida por sua vasta aplicação em diversos segmentos da indústria. Por essa razão, estudos têm frequentemente proposto alternativas de melhorias no desempenho das mesmas. Uma dessas alternativas de upgrade é a combinação de propriedades intrínsecas de diferentes materiais que possam conferir melhor resistência mecânica, permeação e seletividade das membranas. As membranas de matriz (MMM) mista são um exemplo disso, consistindo em uma matriz (base) polimérica que contém um filler inorgânico. Diante desse cenário, são muitas as possibilidades de combinação de materiais; nesse estudo foram escolhidos a polieterimida como matriz e a zeólita 13X como filler. Inicialmente, membranas simétricas foram obtidas e testadas na separação de gases. Não sendo possível constatar a permeação de gases através dos filmes densos, os ensaios continuaram com a obtenção de membranas assimétricas a partir da inversão de fases usando banho de coagulação de água/isopropanol e testes em meios aquosos. As MMM obtidas na concentração de 20% de polímero e 5% de zeólita se mostraram eficientes, com rejeição de albumina sérica bovina (BSA) acima de 99% e permeância hidráulica acima de 300 L/m2 h bar, indicando seu potencial como membrana de ultrafiltração.

Abstract: Membrane-based technology is known for its wide application in various industry segments. For this reason, studies have frequently proposed alternatives for improving their performance. One of these upgrade alternatives is the combination of intrinsic properties of different materials that can provide better mechanical resistance, permeation, and selectivity to the membranes. Mixed matrix membranes (MMM) are an example of this, consisting of a polymer matrix (base) that contains an inorganic filler. Given this scenario, there are many possibilities for combining materials; In this study, polyetherimide was chosen as the matrix and zeolite 13X as the filler. Initially, symmetric membranes were obtained and tested in gas separation. As it was not possible to verify the permeation of gases through the dense films, the tests continued to obtain asymmetric membranes from phase inversion using a water/isopropanol coagulation bath. MMM obtained at a concentration of 20% polymer and 5% of zeolite proved to be efficient, obtaining rejection of bovine serum albumin (BSA) above 99% and water permeance higher than 300 L/m2 h bar, indicating its potential as an ultrafiltration membrane.