Membrane functionalization with titanium dioxide using polydopamine as binding agent: assessment of the separation of oily compounds and photocatalytic performance

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2023.A contaminação dos corpos hídricos por compostos oleosos é um problema ambiental que vem ganhando espaço em pesquisas científicas nos últimos anos, uma vez que esses compostos normalmente encontram-se emulsionados no meio, dificultando a sua separação. Uma gama de processos físicos e químicos pode ser utilizada para minimizar ou evitar os efeitos adversos causados pela presença de compostos oleosos em águas residuais. O trabalho em questão busca obter uma membrana fotocatalítica para tratamento desses compostos, combinando a função fotocatalítica de um catalisador com a separação obtida com os processos com membranas, e então, otimizar o tratamento desse tipo de efluente. Este estudo investiga e demonstra um método prático de modificação da superfície da membrana de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) com polidopamina (PDA) e TiO2 para obter membranas fotocatalíticas. Para tanto, inicialmente uma membrana de PVDF foi modificada com concentrações de TiO2 variando de 0,2 a 2,0% em massa. A deposição de TiO2 foi confirmada por um pico característico de TiO2 na análise de difração de raios-X (DRX). Micrografias de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram que o processo de modificação com PDA causou alguma obstrução dos poros. No entanto, a membrana modificada com 1,0% de TiO2 apresentou a maior permeância à água, indicando que esta incorporação promoveu maior hidrofilicidade para a membrana. Posteriormente, o efeito de diferentes concentrações de PDA e TiO2 na solução usada na modificação foi avaliado com relação à permeância à água, rejeição de TOC e capacidade de degradação fotocatalítica. Os resultados mostraram que a incorporação de PDA e TiO2 conferiu propriedades anti-incrustantes à membrana, com permeância à água, rejeição de TOC e degradação fotocatalítica chegando a 781 kg h-1 bar-1 m-2, 87% e 97%, respectivamente, ao utilizar concentração de DA de 0,92 g L-1, uma quantidade de TiO2 de 1,39% e uma velocidade de agitação de 106 rpm na modificação. Após o processo de autolimpeza fotocatalítica, a recuperação do fluxo atingiu 86%, indicando que a presença de TiO2 melhorou as propriedades anti-incrustante da membrana. Essas descobertas sugerem que a incorporação de PDA e TiO2 pode melhorar a separação de compostos oleosos, reduzir a incrustação e promover a autolimpeza a partir da modificação superficial da membrana. Este estudo fornece informações valiosas para o desenvolvimento de processos de separação, nos quais o uso de PDA e TiO2 como modificadores de superfície pode ser uma estratégia eficaz para melhorar o desempenho e a durabilidade das membranas de PVDF em aplicações de tratamento de águas residuais oleosas.Abstract: Contamination of water bodies by oily compounds is an environmental problem that has been gaining ground in scientific research in recent years since these compounds are normally found emulsified in the medium, making their separation difficult. A range of physical and chemical processes can be used to minimize or avoid the adverse effects caused by the presence of oily compounds in wastewater. The work in question seeks to obtain a photocatalytic membrane for treating these compounds, combining the photocatalytic function of a catalyst with the separation obtained with membrane processes and then optimizing the treatment of this type of effluent. This study investigates and demonstrates a practical method of surface modification of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes with polydopamine (PDA) and TiO2 to obtain photocatalytic membranes. For this purpose, a PVDF membrane was initially modified with TiO2 concentrations ranging from 0.2 to 2.0% by mass. TiO2 deposition was confirmed by a characteristic TiO2 peak in X-ray diffraction analysis (XRD). Scanning electron microscopy (SEM) micrographs showed that the PDA modification process caused some pore clogging. However, the membrane modified with 1.0% TiO2 showed greater water permeance, indicating that this incorporation promoted greater hydrophilicity for the membrane. Subsequently, the effect of different concentrations of PDA and TiO2 in the solution used in the modification was evaluated in terms of water permeance, TOC rejection, and photocatalytic degradation capacity. The results showed that the incorporation of PDA and TiO2 conferred antifouling properties to the membrane, with water permeance, TOC rejection, and photocatalytic degradation reaching 781 kg h-1 bar-1 m-2, 87%, and 97%, respectively, when using a DA concentration of 0.92 g L-1, an amount of TiO2 of 1.39% and an agitation speed of 106 rpm in the modification. After the photocatalytic self-cleaning process, flux recovery reached 86%, indicating that the presence of TiO2 improved the antifouling properties of the membrane. These findings suggest that incorporating PDA and TiO2 can improve the separation of oily compounds, reduce fouling, and promote self-cleaning through surface modification of the membrane. This study provides valuable information for the development of separation processes, in which using PDA and TiO2 as surface modifiers can be an effective strategy to improve the performance and durability of PVDF membranes in oily wastewater treatment applications