Aplicação de materiais lamelares inorgânicos no desenvolvimento de membranas nanoestruturadas - Aquino, Caroline Brambilla de (2024)
A crescente demanda por processos eficientes na separação óleo-água em indústrias, como a petrolífera e a de tratamento de efluentes, evidencia a necessidade de desenvolver membranas com desempenho superior. Os principais obstáculos a serem superados são a incrustação (fouling), que reduz a eficiência e a durabilidade das membranas, e a dificuldade de equilibrar seletividade e permeabilidade. Este trabalho aborda o desenvolvimento de membranas nanoestruturadas utilizando materiais lamelares inorgânicos para a separação de misturas óleo-água. O principal objetivo na aplicação desses materiais foi encontrar a melhor condição para tratamento de água produzida, superando os desafios de incrustação. A água produzida, é composta por uma mistura de água que está presente no reservatório junto com o petróleo ou gás) e, em alguns casos, para ajudar a aumentar a pressão do reservatório e facilitar a produção. As membranas poliméricas comerciais apresentam 95% de efetividade na retenção de contaminantes; porém, não são uma solução para os efeitos de entupimento em sistemas de filtração, ocasionado pelas espécies orgânicas. A modificação dessas membranas com argilas minerais bidimensionais é uma estratégia para modular as propriedades das membranas, orientar as camadas, controlar a espessura, reter íons e moléculas menores, funcionalizar e promover maior seletividade. As argilas: Vermiculita (VMT), Montmorilonita (MMT) e Talco foram selecionadas para modificar a superfície de membranas comerciais. Como elas apresentam diferentes propriedades, tais como carga e caráter hidrofílico, foi possível identificar quais características são essenciais para melhorar a eficiência desses sistemas. Para isso diferentes métodos de esfoliação foram utilizados: esfoliação direta, esfoliação assistida por intercalação e esfoliação assistida por troca iônica. As análises para determinação do potencial zeta permitiram acompanhar as mudanças na carga das estruturas em função do íon intercalante, e as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de força atômica (AFM) revelaram o sucesso da esfoliação. As suspensões das argilas esfoliadas foram utilizadas para a modificação da superfície da membrana de poliamida (PA) por meio do processo de filtração a vácuo. As membranas foram caracterizadas por difratometria de raios-X e por medidas do ângulo de contato em função do método de gota séssil. Os resultados obtidos permitiram identificar as propriedades de molhabilidade e hidrofilicidade das Aplicação de Materiais Lamelares Inorgânicos no Desenvolvimento de Membranas Nanoestruturadas 12 membranas produzidas. Cada uma das argilas modificou as propriedades de superfície da membrana PA de uma forma diferente, alterando sua característica hidrofílica para superhidrofílica ou hidrofóbica, dependendo do mineral. A atuação das membranas modificadas em um processo de separação óleo-água foi avaliada por meio de sistemas de filtração tangencial e axial, ambos em baixa pressão. As membranas tratadas foram eficientes na separação de uma emulsão tolueno-água, resultando em valores de rejeição da espécie oleosa superiores a 99%, com destaque para a membrana de VMT, que também apresentou uma excelente propriedade anti incrustante após 42 horas de fluxo no sistema de filtração. A permeabilidade da membrana nanoestruturada se mostrou estável ao longo desse período, mantendo sua capacidade de rejeição próxima a 100%, enquanto a membrana comercial mostrou efeitos de entupimento em oito horas de processo e redução na rejeição de contaminantes. Nesse contexto, o estudo mostrou que as argilas minerais possuem potencial significativo para modulação de propriedades de superfícies das membranas, tornando-as atraentes para resolver desafios em processos de separação óleo-água.