Use of alumina and dolomite to produce hollow fiber ceramic membranes

The membrane separation process has received great attention for the purification of different fluids in several applications. Due to the advantages of ceramic inorganic membranes (greater chemical, thermal and mechanical resistances) compared to polymeric membranes, several studies have been proposed for the production of ceramic membranes. One of the main challenges for the widespread use of ceramic membranes are related to the high cost of the ceramic material. In this context, the main objective of this study was to produce hollow fiber membranes by the phase inversion method followed by sintering using different ceramic materials. The morphology of the fabricated membrane depends directly on the composition of the prepared ceramic suspension and the applied extrusion parameters. Thus, two solvents (dimethylsulfoxide (DMSO) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)) were evaluated for preparing the ceramic suspension with pure alumina of 1 μm. The use of DMSO as a solvent provided a higher density of filaments in the membrane structure when compared to NMP. The possibility of adding alumina with higher particle size (D50 = 4 μm) in the ceramic suspension with thin alumina (1 μm) was also evaluated in order to reduce the membrane cost. Addition of 20wt% of thick alumina (D50 = 4 μm) reproduced the structure of the fibre that was produced only with thin alumina and increased in 18.32% the water permeability through the fiber. The fiber produced with thin alumina was then applied as a ceramic support for the production of composite membranes formed by an inner layer of alumina and an outer layer of polyethersulfone (PESf). The influence of the polymeric solution concentration on the structures of the composite membranes was evaluated. It was suggested the application of a polymeric layer in the concentration of 125 g/L in order to guarantee a uniform and selective layer on the fiber. In addition, we evaluated the production of hollow fiber membranes using only dolomite and a mixture of dolomite and alumina in the composition of the ceramic material. The fibers produced using only dolomite presented macroporous structures due to the greater particle size (D50 = 25,4 μm) of the used ceramic material. The sintering process of dolomite fibers at 400 °C, which still have polymer in the interstices of the ceramic material, presented satisfactory mechanical strength (4,22±0,23 MPa) and were suggested for separations involving aqueous solutions. The sintering of the dolomite fibers at 1350 °C completely eliminates the polymer, but promotes the sintering of the material and thus guarantees a satisfactory mechanical resistance (5,55 ±0,78 MPa). However, the sintering of dolomite material at 1350 °C results in doloma, which is a water-soluble material. The water solubility of the dolomite fiber sintered at 1350 °C was confirmed by ion chromatography that detected magnesium and calcium at the concentrations of 0,056 e 2,714 ppm, respectively, after contact of the fiber with water for 56 h. Thus, the dolomite fiber sintered at 1350 °C was suggested for applications as ceramic support for formation of composite membranes involving gas separations. Membranes produced with different proportions of dolomite in fine alumina (75%, 50% and 25%, wt% of dolomite) in the composition of the ceramic material resulted in the formation of magnesium aluminate (spinel) in the membrane structures when these were subjected to high temperatures. The initial compositions of the ceramic material formed by alumina and dolomite have generated, at different sintering temperatures, different structures in the membranes that can be adapted, depending on the required application.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação (Mestrado)O processo de separação por membranas tem ganhado destaque para purificação de diferentes fluidos em diversas aplicações. Devido às vantagens das membranas inorgânicas cerâmicas (maiores resistências química, térmica e mecânica) com relação às membranas orgânicas poliméricas, diversos estudos tem se direcionado na produção de membranas cerâmicas. Uma das dificuldades encontradas no uso generalizado das membranas cerâmicas está no elevado custo do material cerâmico. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho foi produzir membranas do tipo fibra oca pelo método de inversão de fases seguido de sinterização utilizando diferentes materiais cerâmicos. A morfologia da membrana fabricada depende diretamente da composição da suspensão cerâmica preparada e dos parâmetros de extrusão aplicados. Assim, dois solventes (dimetilsulfóxido (DMSO) e N-metil-2-pirrolidona (NMP)) foram avaliados para preparar a suspensão cerâmica com alumina de baixa granulometria (1 µm). Foi possível observar que o uso de DMSO como solvente proporciona uma maior densidade de filamentos na estrutura das membranas, quando comparado ao NMP. Avaliou-se também a possibilidade de adicionar alumina com maior granulometria (D50= 4 µm) na suspensão cerâmica com alumina fina (1 µm) a fim de reduzir o custo da membrana. Foi então verificado que um incremento de 20% de alumina grossa reproduz a estrutura da fibra produzida apenas com alumina fina e promove um aumento de 18,32% na permeabilidade à água pela fibra. A fibra de alumina fina foi aplicada como suporte cerâmico na produção de membranas compostas formadas por uma camada interna de alumina e uma camada externa de polietersulfona (PESf). Nesta etapa do estudo avaliou-se a influência da concentração de PESf nas estruturas das membranas compostas obtidas. Sugere-se a aplicação de uma camada polimérica na concentração de 125 g/L a fim de garantir uma camada uniforme e seletiva sobre a fibra. Além disso, foi avaliada a produção de membranas de fibras ocas utilizando apenas dolomita e fibras ocas com proporções de dolomita em alumina na composição do material cerâmico. As fibras produzidas utilizando apenas dolomita permitiram a obtenção de estruturas macroporosas devido à maior granulometria do material cerâmico utilizado (D50= 25,4 µm). As fibras de dolomita sinterizadas a 400 °C, que ainda apresentam polímero nos interstícios do material cerâmico apresentaram resistência mecânica satisfatória (4,22±0,23 MPa) e foram sugeridas para separações que envolvam soluções aquosas. A sinterização das fibras de dolomita a 1350°C elimina completamente o polímero, mas promove a sinterização do material e garante assim, uma resistência mecânica também satisfatória (5,55±0,78 MPa). Contudo, a dolomita quanto aquecida a 1350°C transforma-se em doloma, que é uma material solúvel em água. A solubilidade em água da fibra de dolomita sinterizada a 1350°C foi confirmada por cromatografia de íons que detectou magnésio e cálcio nas concentrações de 0,056 e 2,714 ppm, respectivamente, após contato da fibra com água por 56 h. Assim, a fibra de dolomita sinterizada a 1350°C foi sugerida para aplicações como suporte cerâmico para formação de membranas compostas que envolvam separação de gases. As membranas produzidas com diferentes proporções de dolomita em alumina fina (75%, 50% e 25%, % mássica de dolomita) na composição do material cerâmico sofreram transformações químicas que resultaram na formação do aluminato de magnésio (espinélio) nas estruturas das membranas quando estas foram submetidas a altas temperaturas. As composições iniciais do material cerâmico formado por alumina e dolomita geraram, a diferentes temperaturas de sinterização, diferentes estruturas nas membranas que podem ser adaptadas, a depender da aplicação requerida