Membranes with Nanostructured Materials for Water Desalination and Purification

Abstract

No século XXI, o abastecimento de água para consumo tornou-se escasso, e as suas fontes naturais estão a diminuir. A dessalinização da água do mar e das águas salobras pode constituir uma excelente solução para o problema. A osmose direta (OD) é um processo promissor de dessalinização, já que é bastante económico e respeita o meio ambiente. No entanto, este processo apresenta duas limitações intrínsecas: o efeito da polarização por concentração e a incrustação da membrana. As membranas com compósito de película fina (TFC – thin film composite) são amplamente utilizadas no processo de OD e são constituídas por uma camada de poliamida ativa sobre um substrato, que geralmente é uma membrana de polisulfona (PS). A modificação das membranas com base de polisulfona feita com materiais nanoestruturados tem como objetivo aumentar a sua eficiência e, assim, minimizar os efeitos negativos associados ao processo de OD.

Membranas de PS com nanotubos de carbono (CNTs), óxido de grafeno (GO) e materiais compósitos de carbono-TiO₂foram preparadas pelo método da inversão de fase e estudaramse diferentes parâmetros de síntese, tais como a quantidade de material e a adição de um formador de poros (PVP – polivinilpirrolidona). De forma geral a adição de materiais nanoestruturados nas membranas de PS produz um aumento da porosidade e do ângulo de contato, em relação à membrana pura de PS. A utilização de PVP nas membranas puras de PS promove a formação de poros com maiores dimensões, enquanto que as membranas com TFC apresentam uma diminuição da porosidade e ângulo de contato em relação à membrana com suporte de PS correspondente.

Todas as membranas foram testadas em filtração, com água destilada e água salgada (C = 1000 ppm NaCl). O aumento da pressão transmembranar induz um maior fluxo de água. A membrana preparada com 0.1% de nanotubos de carbono originais (0.1MWp/PS) apresenta o fluxo de água mais elevado (18760 L h^-1 m^-2) com água salgada. Contudo, neste processo a rejeição de sal para as membranas de PS foi na ordem dos 8%. Por seu lado, as membranas com TFC apresentam menor fluxo de água mas a rejeição de sal é mais elevada, comparativamente com as correspondentes membranas de PS. A membrana 0.1MWf/PS (com 0.1% de nanotubos de carbono funcionalizados) é aquela que apresenta melhores fluxos de água e rejeição de sal.

No processo de OD as membranas com TFC foram testadas com água destilada e 0.6 M de NaCl como solução de alimentação e de permeado, respetivamente. Obtêm-se geralmente fluxos mais elevados quando a membrana se coloca com a camada ativa voltada para o permeado (ALDS - active layer faced draw solution). A melhor membrana com TFC testada em OD foi preparada com uma base de PS composta com 0.6% em massa do compósito de óxido de grafeno e TiO₂ (0.6GOT/PS-P_TFC), para a qual se obteve um fluxo de água de 12.1 L h^-1 m ^-2 e uma rejeição de sal de 99%. Esta membrana foi também testada com outras soluções de permeado, sendo que se obteve um aumento do fluxo de água e do fluxo inverso de soluto quando a concentração do permeado foi 1.2 M NaCl, enquanto que ao usar uma solução de 1.25 M de MgSO₄no permeado se verifica uma diminuição de ambos os parâmetros.

Alternate abstract:

In the XXI century, the supply of drinking water is becoming scarce and the desalination of seawater offers an excellent solution to solve it. Forward osmosis (FO) is a promising desalination process because of its environmental friendly characteristics and low energy costs. However, it presents two intrinsic limitations: internal concentration polarization and membrane fouling. Thin film composite (TFC) membranes are widely used in FO and are composed of an active polyamide layer on a substrate. This substrate is typically a polysulfone (PS) membrane. The modification of PS substrates with nanostructured materials has as mission to increase the efficiency of the TFC membranes and overcome the problems of the FO process.

PS membranes blended with carbon nanotubes (CNTs), graphene oxide (GO) and carbonTiO₂composites were prepared by the phase inversion method, studying different synthesis parameters, such as material loading and addition of a pore former. In general, the addition of nanostructured material in the PS membranes produced an increase of both porosity and contact angle in comparison to the neat PS membrane. Pore formers produced membranes with larger pore sizes than those of the neat PS membrane, while TFC membranes presented a decrease of the porosity and the contact angle compared to the corresponding PS support.

All membranes were tested in filtration of DI water and slightly salty water. The increase of the trans-membrane pressure produced a higher water flux. The membrane prepared with 0.1 wt.% of pristine CNTs (0.1MWp/PS) presented the highest water flux (18760 L h^-1 m^-2) with slightly salty water. However, the salt rejection of the PS membranes was near 8%. TFC membranes showed lower water flux but higher salt rejection compared to their corresponding PS supports. The 0.1MWf/PS membrane (with 0.1 wt.% of functionalized CNTs) has the highest water flux and salt rejection.

TFC membranes were tested in FO with DI water and 0.6 M NaCl as feed and draw solutions. A higher water flux was generally obtained when performing in active layer faced draw solution (ALDS) configuration. The most active TFC membrane in FO was that prepared on a PS membrane with 0.6 wt.% of a graphene oxide-TiO₂ composite (0.6GOT/PS-P_TFC), a water flux of 12.1 L h^-1 m ^-2 and a salt rejection of 99% being obtained. This membrane was also tested with other draw solutions, an increase of both water flux and solute flux being observed with 1.2 M NaCl draw solution and a decrease of both parameters with 1.25 M MgSO₄draw solution.