Funcionalização de membranas microporosas com nanomateriais de grafeno e reticulação polimérica para dessalinização de água

Membranas poliméricas de poliamida (PA) e de éster de celulose misto (MCE) foram funcionalizadas com de óxido de grafeno (OG) e álcool polivinílico (PVA), e reticuladas com ácido cítrico. Um sistema prático de nanofiltração, utilizando estas membranas, foi projetado, desenvolvido e testado para retenção de íons de sulfato de magnésio (MgSO4) e cloreto de sódio (NaCl) em soluções aquosas. As membranas foram avaliadas através de ensaios de capacidade percentual de remoção de sais e estabilidade mecânica. Para analisar as características estruturais e morfológicas do óxido de grafeno e das membranas produzidas foram utilizadas técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e difração de raio-X (DRX). O sistema de nanofiltração apresentou-se estável a pressões de trabalho entre 4-5 bar. Os resultados mostraram que o óxido de grafeno, obtido pelo método Hummers modificado, foi mais efetivo no revestimento de membranas porosas de PA do que de MCE. A estabilidade mecânica foi elevada devido a adesão dos grupos amina, presentes nas membranas de PA, às hidroxilas presentes no plano basal do OG. As membranas de poliamida modificadas com 0,75 mg de OG apresentaram o melhor desempenho nas filtrações, e foram responsáveis por retenção média de aproximadamente 55% e permeabilidade de 1,42 L/m².h.bar para o Mg+2, além de retenção de 37% e permeabilidade de 2,08 L/m².h.bar para o NaCl. Além disso, podem garantir > 29% de retenção para íons de Mg+2 na terceira reutilização. As imagens de MEV mostraram que as membranas de poliamida revestidas com 0,25, 0,5 e 0,75 mg de OG exibiram um filme superficial de OG/PVA de aproximadamente, 0,3, 0,4 e 0,5 μm, respectivamente, na qual sua ampliação eleva a rejeição salina. Verificou-se que o grupo carboxila, presente na estrutura do ácido cítrico, reage e forma ligações cruzadas com as hidroxilas, presentes no PVA e no OG, através de uma esterificação. Estes resultados indicam que o mecanismo que domina o processo de retenção nas membranas produzidas é exclusão por tamanho, e mostraram o potencial para dessalinização de soluções com íons divalentes e monovalentes. Os avanços alcançados ao longo deste trabalho mostraram potencialidades práticas a serem aplicadas em sistemas de dessalinização portáteis.Polyamide membrane and mixed cellulose ester were functionalized with graphene oxide and polyvinyl alcohol and cross-linked with citric acid. A practical nanofiltration system, using these membranes, was tested to retain ions of magnesium sulfate and sodium chloride in aqueous solutions. The membranes were evaluated through percent salt removal capacity and mechanical stability assays. To analyze the structural and morphological characteristics of graphene oxide and the membranes produced were used scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD). The nanofiltration system was stable at working pressures between 4-5 bar. The results showed that graphene oxide, obtained by the modified hummers method, was more effective in coating PA porous membranes than MCE. The mechanical stability was high due to the adhesion of the amine groups, present in the PA membranes, to the hydroxyl groups present in the basal plane of the OG. Polyamide membranes modified with 0.75 mg of OG showed the best performance in filtrations, and were responsible for an average retention of approximately 55% and permeability of 1.42 L/m².h.bar for Mg+2 , in addition to retention of 37% and permeability of 2.08 L/m².h.bar for NaCl. Furthermore, they can guarantee > 29% retention for Mg+2 ions on the third reuse. SEM images showed that polyamide membranes coated with 0.25, 0.5 and 0.75 mg OG exhibited an OG/PVA surface film of approximately 0.3, 0.4 and 0.5 μm, respectively, in which its magnification increases the salt rejection. It was found that the carboxyl group, present in the citric acid structure, reacts and forms cross-links with the hydroxyl groups, present in PVA and OG, through esterification. These results indicate that the mechanism that dominates the retention process in the produced membranes is size exclusion and showed the potential for desalination of solutions with divalent and monovalent ions. The advances achieved during this work showed practical potentialities to be applied in portable desalination systems.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPE