Desenvolvimento de pré-filtros de água a partir de membranas eletrofiadas de PVDF-HFP com superfície funcionalizada para adsorção de Cr(VI)

Abstract

O consumo mundial de água tem aumentado em cerca de 1% ao ano desde a década de 1980 devido à combinação do rápido crescimento populacional, do desenvolvimento socioeconômico e das mudanças nos padrões de consumo da população mundial. Hoje, cerca de 2 bilhões de pessoas vivem em países que sofrem alto estresse hídrico sem o acesso a água limpa, devido aos altos índices de poluição. Assim, a crise atual deixa de ser apenas relacionada à quantidade disponível e passa a ocupar patamares alarmantes em relação à qualidade da água consumida. Neste sentido, novos materiais estão sendo desenvolvidos afim de descontaminar/remediar fontes de água com diferentes tipos de contaminantes. Neste trabalho, foram produzidas membranas porosas de PVDF-HFP por meio de eletrofiação, estudando a variação de parâmetros e a relação do tempo na densidade de fibras e então testes de adsorção foram realizados. Inicialmente o estudo dos parâmetros foi realizado a fim de produzir materiais com propriedades para aplicação em membranas de destilação, filtração e adsorção. As membranas eletrofiadas foram recobertas com polianilina (PAni) por meio da polimerização in situ em sua superfície a fim de criar uma membrana com capacidade de remoção de íons cromato de meios aquosos. A morfologia e estrutura das membranas foram avaliadas antes e após o recobrimento da superfície com polianilina; os resultados mostram o sucesso do processo de polimerização in situ na deposição de moléculas de PAni nas nanofibras de PVDF-HFP. As membranas de alta porosidade e área superficial foram então testadas quanto sua capacidade de remoção de íons cromato e dicromato de meio aquoso em altas e baixas concentrações. Os testes de adsorção estática mostraram a eficiência na remoção dos íons metálicos, encontrando uma capacidade de adsorção de aproximadamente 15 mg/g; a capacidade de remoção foi também avaliada em função do valor do pH e do tempo de adsorção. Testes dinâmicos de adsorção em diferentes vazões e volumes de solução de cromo foram também realizados. O estudo de dessorção confirmou ainda a reciclabilidade da membrana PVDF-HFP/PAni, mostrando uma eficiência superior a 70%, mesmo após 5 ciclos de utilização. Quando testado em baixas concentrações, que buscam simular efluentes industriais descartados em córregos e rios, a membrana PVDF-HFP/PAni teve uma eficiência de remoção de espécies de Cr(VI) acima de 80% quando em concentrações de até 0,3 mg/L. Para estas baixas concentrações do contaminante o processo de adsorção ocorreu de forma espontânea e exotérmica. Por fim a eficiência das membranas foi avaliada por meio de teste de viabilidade celular para células de peixe expostas à solução de Cr(VI) após o processo de adsorção, aumentando em torno de 19% a viabilidade de células. Diante das caracterizações realizadas e dos estudos de adsorção, dessorção e viabilidade celular, conclui-se que a membrana desenvolvida neste trabalho se mostra como um material de potencial aplicação em descontaminação de águas, adsorvendo espécies aniônicas de cromo presente em meio aquoso, promovendo um ambiente aquático mais seguro para espécies que vivem ou utilizam de alguma forma estas águas.

The world water consumption has been increasing about 1% per year since the 1980s due to the combination of rapid population growth, socioeconomic development and changes in the consumption patterns of the world population. Nowadays, about 2 billion people live in countries that suffer from high water stress without access to clean water, due to high levels of pollution. Thus, the current crisis is no longer just related to the quantity available and starts to occupy alarming levels in relation to the quality of the water consumed. In this sense, new materials are being developed in order to decontaminate/remediate water sources with different types of contaminants. In this study, porous membranes of PVDF-HFP were produced by electrospinning; the production parameters and the fibers density relationship were studied, then the adsorption tests were carried out. Initially the study of parameters was carried out in order to produce materials with properties to apply in distillation, filtration and adsorption membranes. The electrospun membranes were coated with polyaniline (PAni) by in situ polymerization in order to create a membrane capable of removing chromate ions from aqueous media. The morphology and structure of the membranes were evaluated before and after the polyaniline-coated surface, the results show the success of in situ polymerization process to deposit the PAni molecules in the PVDF-HFP nanofibers. The high porosity and surface area membranes were then tested for their ability to remove chromate and dichromate ions from aqueous medium in high and low concentrations. The static adsorption tests showed the efficiency in metal ions removal, finding an adsorption capacity of approximately 15 mg/g; the removal capacity was also evaluated according to the pH value and the contact time. Dynamic adsorption tests at different flows rate and volumes of chromium solutions were also performed. The desorption study confirmed the recyclability of the PVDF-HFP/PAni membrane, showing an efficiency over 70%, even after 5 cycles of use. When tested in low concentrations, which aim simulate an industrial effluents released in streams and rivers, the PVDF-HFP/PAni membrane had an efficiency of removing Cr(VI) species over 80% when in concentrations over to 0.3 mg/L of Cr(VI). For these low concentrations of contaminant, the adsorption process occurred spontaneously and by exotherm process. Finally, the membrane efficiency was evaluated through cell viability test on fish cells exposed to the Cr(VI) solution after the adsorption process, the cell viability increased about 19%. Given the characterizations carried out and the studies of adsorption, desorption and cell viability, it is concluded that the membrane developed in this work shows itself as a material of potential application in water decontamination, adsorbing anionic species of chromium present in aqueous medium, promoting an environment safer aquatic environment for species that live or use these waters in some way. According the characterizations and the studies of adsorption, desorption and cell viability, it is concluded that the membrane developed in this work proved to be a material with potential application in water decontamination, adsorbing anionic species of chromium present in aqueous medium, and promoting an safer aquatic environment for species that live or use these waters in some way.