Tratamento de efluente têxtil com processos combinados, híbridos e membrana catalítica para oxidação do tipo fenton

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2023.A Destilação por Membrana (DM) foi identificada como uma tecnologia promissora para a recuperação de águas residuais têxteis. No entanto, a incrustação e o molhamento da membrana são considerados um dos principais problemas que limitam a aplicação da DM em grande escala. Esses problemas não devem ser negligenciados, pois o acúmulo de incrustantes nas membranas está associado à ineficiência do processo. Nesse contexto, a presente tese tem como objetivo o desenvolvimento de membranas catalíticas inovadoras, a combinação e integração de processos com a DM para recuperação de águas residuais têxteis sintéticas e reais. Assim, este estudo foi dividido em duas etapas principais: A primeira etapa envolveu a integração da Coagulação/Floculação (CF) e do processo Fenton com a DM, e formaram os processos integrados CF-DM e Fenton-DM. No CF-DM, o foco principal foi a avaliação do processo integrado na recuperação de águas residuais de diferentes cenários da indústria têxtil. Foram realizadas análises físico-químicas e a avaliação toxicológica das amostras das águas residuais, assim como as caracterizações das membranas antes e após o processo DM. Foi possível verificar que os valores do fluxo permeado aumentaram até 44,11% com as soluções sintéticas e para os efluentes reais o aumento foi de 56,44% no fluxo de permeado. A taxa de rejeição de cor do processo DM manteve-se alta para todas os efluentes (100%), e o fator de incrustação diminuiu com todas as águas residuais utilizadas, chegando a 0 com processo integrado. No Fenton-DM, o foco foi determinar a viabilidade deste processo para aumentar a recuperação de água e garantir uma melhor eficiência das membranas na DM. As caracterizações físicoquímicas das águas residuais e as caracterizações de membranas também foram executadas. A maior permeabilidade foi obtida com o sistema FT-NT-DM, com membrana de PTFE e TE como efluente com um aumento de até 140% na recuperação do fluxo permeado. Na oxidação de FT-DM foi obtido um fluxo de permeado com incremento de até 113%. A composição do efluente mostrou que o processo Fenton-DM removeu efetivamente todas as partículas suspensas nos efluentes estudados. As análises morfológicas revelaram que a estrutura da membrana permaneceu intacta durante a operação do Fenton-DM, indicando que o Fenton-DM tem capacidade de melhorar o desempenho das membranas DM; na segunda etapa, e a maior novidade deste estudo, membranas catalíticas de PTFE e PVDF tipo Fenton foram desenvolvidas e aplicadas na DM para tratar águas residuais têxteis. As membranas catalíticas tipo Fenton foram fabricadas por inversão de fase e impregnação contendo catalisadores de Fe3O4 e Fe2O3. O fluxo de permeado, a rejeição de cor, a estabilidade do processo e o aparecimento de incrustação nas membranas foram estudados. Os resultados mostraram que as membranas catalíticas desenvolvidas apresentaram estruturas assimétricas, com os catalisadores de tipo Fenton distribuídos homogeneamente, com alta hidrofobicidade, alta estabilidade térmica, elevada rugosidade, valores de LEP (Pressão de Entrada do Líquido) excelentes e elevada resistência mecânica. O uso das membranas catalíticas na DM resultou no aumento dos fluxos de permeado de 1,2 vezes e taxas de rejeição de cor de 100% para todas as membranas, e a degradação máxima foi de 96,0% e mínima de 66,0%, o fator de incrustação diminuiu para todas as membranas catalíticas, chegando até a 8,43%. Além disso, as membranas catalíticas desenvolvidas neste estudo são eficazes para reduzir a concentração de corantes nas soluções de alimentação (retido), consequentemente aliviando a incrustação da membrana na DM. Portanto, este trabalho mostra aplicações práticas da DM, para superar as suas desvantagens no tratamento de efluentes têxteis, mostrando que os processos estudados são estratégias promissoras para aumentar a remoção de poluentes e controlar a incrustação da membrana, e pode contribuir para a consolidação da DM para aplicação na indústria têxtil.Abstract: Membrane Distillation (MD) has been identified as a promising technology for the recovery of textile wastewater. However, membrane fouling and wetting are considered one of the main problems that limit the application of MD on a large scale. These problems should not be neglected, as the accumulation of scale on membranes is associated with process inefficiency. In this context, the present thesis aims to develop innovative catalytic membranes, the combination and integration of processes with DM for the recovery of synthetic and real textile wastewater. Thus, this study was divided into two main stages: The first stage involved the integration of Coagulation/Flocculation (CF) and the Fenton process with MD and formed the integrated CF-MD and Fenton-MD processes. In CF-MD, the main focus was the evaluation of the integrated process in the recovery of wastewater from different scenarios in the textile industry. Physicochemical analyzes and toxicological evaluation of wastewater samples were carried out, as well as membrane characterizations before and after the MD process. It was possible to verify that the permeate flux values increased up to 44.11% with the synthetic solutions and for real effluents the increase was 56.44% in the permeate flux. The color rejection rate of the MD process remained high for all effluents (100%), and the fouling factor decreased with all wastewaters used, reaching 0 with the integrated process. At Fenton-DM, the focus was to determine the feasibility of this process to increase water recovery and ensure better membrane efficiency in MD. Physicochemical characterizations of wastewater and membrane characterizations were also performed. The highest permeability was obtained with the FT-NT-MD system, with PTFE and TE membrane as effluent with an increase of up to 140% in permeate flux recovery. In the oxidation of FT-MD, a permeate flux with an increase of up to 113% was obtained. The effluent composition showed that the Fenton-MD process effectively removed all suspended particles in the studied effluents. Morphological analyzes revealed that the membrane structure remained intact during Fenton-MD operation, indicating that Fenton-MD could improve the performance of MD membranes; In the second stage, and the biggest innovation of this study, Fenton-type PTFE and PVDF catalytic membranes were developed and applied in MD to treat textile wastewater. Fenton-type catalytic membranes were manufactured using phase inversion and impregnation containing Fe3O4 and Fe2O3 catalysts. The permeate flux, color rejection, process stability and the appearance of fouling on the membranes were studied. The results showed that the catalytic membranes developed presented asymmetric structures, with Fenton-type catalysts distributed homogeneously, with high hydrophobicity, high thermal stability, high roughness, excellent LEP (Liquid Entry Pressure) values and high mechanical resistance. The use of catalytic membranes in MD resulted in an increase in permeate fluxes of 1.2 times and color rejection rates of 100% for all membranes, and the maximum degradation was 96.0% and minimum 66.0%, the fouling factor decreased for all catalytic membranes, reaching 8.43%. Furthermore, the catalytic membranes developed in this study are effective in reducing the concentration of dyes in the feed solutions (withheld), consequently alleviating membrane fouling in MD. Therefore, this work shows practical applications of MD, to overcome its disadvantages in the treatment of textile effluents, showing that the processes studied are promising strategies to increase pollutant removal and control membrane fouling, and can contribute to the consolidation of MD for application in the textile industry