Photocatalytic recycled membranes from TiO2 and graphene oxide (GO) and their applications in the treatment of wastewater

Abstract

A poluição das águas, sua escassez e os desafios globais de energia têm levado a comunidade científica a desenvolver alternativas tecnológicas mais sustentáveis e eficientes de tratamento de águas residuárias. Especial atenção tem sido dada aos Contaminantes Emergentes (CEs) que já foram detectados em águas residuárias, superficiais, subterrâneas e até potável. Os efeitos destes CEs ainda não são totalmente esclarecidos, mas estudos apontam seus potenciais riscos toxicológicos. As ETAs e ETEs convencionais são ineficientes na remoção dos CEs, sendo requeridos tratamentos avançados para este propósito. Dentre os tratamentos avançados, as Membranas Fotocatalíticas são uma tecnologia em potencial, compostas pela união de catalisadores a membranas que geram mútuos benefícios. O catalisador mais utilizado nestes dispositivos é o dióxido de titânio (TiO2) na forma de nanopartículas. No entanto, a dificuldade de sua recuperação em dimensões nanométricas e a necessidade de irradiação UV-C para sua ativação ainda limitam seu uso em larga escala. A imobilização do catalisador nas superfícies de membranas prefigura como alternativa promissora, portanto. A associação permite, também, a redução da incrustação nas membranas, por meio da degradação, por parte do catalisador, dos compostos causadores de incrustação. Dessa maneira, é mantido o fluxo de permeado e o consumo energético reduzido. Sendo assim, o objetivo deste projeto foi desenvolver e avaliar o desempenho de Membranas Fotocatalíticas compostas por membranas recicladas (membrana de osmose inversa pós vida útil convertida em membrana de ultrafiltração), nanopartículas de TiO2 e óxido de grafeno (GO). Para isto, a metodologia foi alicerçada em cinco etapas. A primeira consistiu na síntese e caracterização da membrana fotocatalítica. A segunda em testes preliminares de remoção/degradação dos corantes negro de eriocromo T e azul de metileno, bem como monitoramento dos fluxos de permeado. A terceira no desenvolvimento do reator fotocatalítico de membrana seguida pela etapa de avaliação da capacidade da membrana na remoção de CEs de águas residuárias municipais pós tratamento secundário. Os parâmetros operacionais foram otimizados. Por fim, foi realizada análise econômica Capex e Opex do processo. O uso do GO, em função de suas excelentes propriedades de transferência eletrônica, teve por finalidade expandir a faixa de resposta à luz do TiO2, e o emprego de membranas recicladas garantiu maior sustentabilidade e baixo custo ao processo, ampliando seu potencial de escalonamento. A utilização de membranas recicladas como suporte funcionou mais do que como uma estratégia de redução de custos, mas também como uma alternativa para redução de resíduos sólidos. Baixas adesões dos nanocompósitos TiO2-GO às superfícies das membranas foram verificadas em modificações self-assembly, enquanto filtração e modificação com dopamina geraram membranas com camadas bem aderidas e homogêneas. Considerando a estabilidade, permeabilidade e eficiência de rejeição dos corantes, como substratos modelo, as membranas modificadas com o auxílio de dopamina-TiO2-GO foram as mais promissoras (rejeições de aproximadamente 100%). Os nanomateriais aumentaram a hidrofilicidade da membrana e formaram uma camada hidratada que repele os contaminantes orgânicos e reduz a incrustação. Além da rejeição da membrana, adsorção (contribuição: ~10%) e fotocatálise (contribuição: ~20%) foram mecanismos adicionais para a remoção de poluentes. A membrana fotocatalítica modificada com dopamina-TiO2-GO demonstrou ótima performance na remoção de seis diferentes compostos ativos farmacêuticos (PhACs), percebendo-se ganhos em termos de eficiência de remoção (até 95,7%) e mitigação de incrustações para a membrana modificada em comparação com as membranas originais. A atividade fotocatalítica ainda contribuiu para uma degradação simultânea dos PhACs evitando a geração de uma corrente de concentrado com alta carga para posterior descarte. As membranas modificadas com dopamina, TiO2 e GO, por apresentaram melhores desempenhos nos testes preliminares, foram selecionadas para uso em sistema de tratamento avançado de águas residuárias de Garching após tratamento na estação de tratamento. Mesmo após 10 meses de uso as membranas mantiveram estabilidade. Na operação do sistema com irradiação da membrana, foi avaliado o efeito da posição da lâmpada na fluência luminosa que atinge a membrana, sendo encontrados maiores valores no meio da membrana, fornecendo parâmetros para otimização do processo. A membrana foi avaliada nos seguintes sistemas: UV-C completo (irradiação e filtração), LED completo, filtragem, UV-C sozinho e o sistema LED sozinho. Em geral, os melhores resultados foram obtidos no sistema UV-C completo. Com reduções consideráveis de diclofenaco (92%) e antipirina (87%), as alterações no pH do efluente demonstraram uma tendência melhorada na atenuação da concentração de ECs em pHs mais altos. Para análise de viabilidade técnica do uso da membrana fotocatalítica, foi considerada a implementação de um sistema de tratamento terciário de águas residuais de uma população de aproximadamente 31.000 pessoas. O CapEX calculado foi de US$ 1,23 por metro cúbico e o Opex foi de US$ 3,75 por metro cúbico. Tais valores são superiores aos custos dos processos convencionais e até mesmo de alguns processos avançados, sendo que a maioria dos custos Opex foram associados ao consumo de eletricidade. Se o sistema fosse simplificado usando irradiação natural, como a luz solar, e removendo o sistema de aeração, o novo Opex seria de US$ 0,23 por metro cúbico, comparável a outras técnicas avançadas, como o carvão ativado granular. Vale ressaltar que as membranas fotocatalíticas têm a vantagem de não produzirem lodo e gerar concentrado com menor carga, com consequente menor custo de tratamento de concentrado, além de não gerar um passivo ambiental. Como resultado, todas essas variáveis devem ser consideradas e a tecnologia se mostra promissora para escalabilidade futura.