Remoção de compostos orgânicos de águas por ultra e nanofiltração em membranas poliméricas

Abstract

Os recursos hídricos superficiais e subterrâneos tem-se mostrado contaminados, cada vez mais freqüentemente, por substâncias orgânicas e inorgânicas, em nível de traços, prejudicando os seus usos mais nobres, por exemplo, abastecimento público. Este estudo teve por finalidade principal verificar a eficiência de rejeição por membranas poliméricas, de alguns compostos orgânicos tipo, naftaleno, carbofurano, tricloroetileno (TCE) e metil paration, em baixas concentrações. Empregou-se testes hidrodinâmicos de filtração, tipo "dead-end", com taxa de aplicação média de 13,16 m³.m⁻².h⁻¹ através das membranas comerciais de características distintas, uma de ultra (UE-50) e duas de nanofiltração (XN-40 e TS-80). Avaliou-se, também, a preparação de água contaminada para a filtração por membranas, através do pré-tratamento por oxidação do carbofurano em meio líquido, usando um desinfetante padrão, o hipoclorito de sódio. Após a oxidação desde composto, testes hidrodinâmicos de filtração foram realizados para verificar, também, a eficiência de rejeição dos sub-produtos. Por fim, foram realizados testes de envelhecimento das membranas que poderiam ser atacadas pelos compostos orgânicos em solução aquosa. Todos os ensaios foram realizados à temperatura de 25 ºC, empregando pressão de filtração de 4 atm. Os compostos orgânicos foram detectados por várias técnicas, principalmente cromatografia gasosa e líquida, sequenciada por espectrometria de massas. Para acompanhar o envelhecimento das membranas, em seis meses de uso, foi empregada microscopia de força atômica, através da medição de porosidade e de rugosidade superficiais. Em termos médios, nas três faixas de concentrações testadas, o metil paration foi o composto mais eficientemente removido pelas membranas em todos os testes realizados, com 59,82 % de rejeição pela membrana UE-50, 43,97 % pela membrana XN-40 e 56,12 % pela TS-80. O TCE foi rejeitado 28,42 %, 23,87 % e 21,42 % pelas membranas UE-50, XN-40 e TS-80, respectivamente. O naftaleno, foi rejeitado 20,61 %, 14,85 % e 12,63 % pelas membranas UE-50, XN-40 e TS-80, respectivamente. Para o carbofurano, a percentagem de rejeição pelas membranas UE-50, XN-40 e TS-80 foi, respectivamente, de 4,51 %, 4,88 % e 2,92 %. Dentre todas as membranas testadas, a membrana de polisulfona UE-50, de ultrafiltração, produziu a melhor eficiência na rejeição de metil paration, tricloroetileno e naftaleno, com 59,82 %, 28,43 % e 20,61 % de rejeição, na ordem. A membrana de poliamida-uréia TS-80, de nanofiltração, proporcionou maior rejeição (56,12 %) que a membrana de poliamida XN-40, de nanofiltração (43,97 %), para o metil paration. Ao contrário, a membrana XN-40 mostrou uma rejeição maior (23,87 %) que a TS-80 para o tricloroetileno (21,42 %). Para o naftaleno, a membrana XN-40 também mostrou uma rejeição (14,85 %) maior que a TS-80 (12,63 %). A eficiência de rejeição do carbofurano foi a menor de todos os compostos ensaiados, independente da membrana. Se for assumido que a membrana de ultra deverá ser seguida pela de nanofiltração, a eficiência conjunta UE-50 + XN-40 será, em termos médios, para o naftaleno, carbofurano, tricloroetileno e metil paration, respectivamente, 32,24%, 9,19%, 45,60% e 77,44%. Para o conjunto UE-50 + TS-80 será de: 30,64%, 7,29%, 43,92% e 83,51%, não havendo diferenças estatisticamente significantes entre os dois conjuntos. Nos testes de pré-tratamento por oxidação do carbofurano, observou-se a formação do carbofurano hidrolisado e mais dois sub-produtos principais, SP-1 e SP-2, que foram rejeitados, 47,85 % e 92,80 %, respectivamente, pela membrana XN-40. Na verificação das perdas das características morfológicas pelo uso prolongado das membranas, sob ataque de compostos orgânicos em baixa concentração ("envelhecimento") verificou-se que a rugosidade (0, 3 e 6 meses) e a porosidade (0, 3 e 6 meses) foram consideravelmente alteradas. A porosidade da membrana XN-40 aumentou 42,86% e a da membrana TS-80 aumentou 34,57%, quando imersas por 3 meses. A rugosidade das membranas XN-40 e TS-80 nos testes de imersão por 3 meses, aumentou 5,37% e 291% respectivamente. Nos testes de imersão em 6 meses, o aumento da porosidade das membranas XN-40 e TS-80 foi de 29,67% e 18,52% respectivamente, enquanto que a rugosidade aumentou 25,27% e 155% para as mesmas. Conclui-se que membranas de nanofiltração poliméricas necessitam de pré-tratamentos para rejeitar, com segurança, e colocar dentro dos padrões de potabilidade, águas contaminadas com os compostos orgânicos tipo testados e que seu uso prolongado irá afetar as suas características de rejeição dos contaminates.

Organic and inorganic matter, in trace level, is contaminating superficial and ground water resources more and more frequently, harming their most noble uses, such as, drinking water. The main object of this study was to verify the efficiency of rejection of some organic compounds such as naphthalene, carbofuran, trichloroethene (TCE) and parathion methyl, in low concentration. Hydrodynamic filtration “dead end” tests have been applied with average rates of 13.16 m³.m⁻²h⁻¹ through distinct characteristics of commercial membranes; one of ultra (UE-50) and two of nanofiltration (XN-40 and TS-80). The preparation of contaminated water was also evaluated, filtering the membranes by way of pre-treatment of oxidation of carbofuran in liquid, applying a standard disinfectant, hypochlorite sodium. After oxidation of this compound, hydrodynamic filtering tests were executed to verify the efficiency of rejection of the products. Finally, aging tests were carried out on the membranes that could be attacked by organic compounds in water solution. All the tests were carried out at a temperature of 25°C, using filtration pressure of 4 atm. The organic compounds were detected through various techniques, mainly gas chromatography and high performance liquid chromatography, and, in sequence, by mass spectrometry. In order to accompany the aging of the membranes, in six months of use, the atomic force microscopy (AFM) was used by measuring porosity and superficial roughness. On the average, in the three lines of concentrations tested, the compound methyl parathion was the most efficiently removed by membranes, in all the tests, with 59.82% rejection by the membrane UE-50, 43.97% by the membrane XN-40 and 56.12% by the TS-80. TCE was rejected 28.42%, 23.87% e 21.42% by membranes UE-50, XN-40 and TS-80, respectively. Naphthalene was rejected 20.61%, 14.85% and 12.63% by membranes UE-50, XN-40 and TS-80 respectively. For the carbofuran, the percentage of rejection by the membranes UE-50, XN-40 and TS-80 was 4.51%, 4.88%, and 2.92%. Among all the membranes tested, the polysulfone membrane UE-50, of ultrafiltration, produced the most efficient rejection of parathion methyl, trichloroethene and naphthalene with 59.82%, 28.43% and 20.61% of rejection, in that order. The polyamide-urea membrane TS-80, of nanofiltration, had higher rejection (56.12%) than the polyamide XN-40, of nanofiltration (43.97%), to parathion methyl. On the contrary, the membrane XN-40 showed a higher rejection (23.87%) than the TS-80 to the trichloroethene (21.42%) and for the naphthalene, the membrane XN-40 also showed a higher rejection (14.85%) than the TS-80 (12.63%). The rejection efficiency of carbofuran was less than all the other tested compounds, independent of the membrane. Assuming ultrafiltration to be followed by nanofiltration, mean values of the joint efficiency of UE-50 + XN-40 were, flor naphthalene, carbofuran, trichloroethene and parathion methyl. 32.24%, 9.19%, 45.60% and 77.44%, respectively. For the combination of UE-50 + TS-80, these values were 30.64%, 7.29%, 43.92% and 83.51%, no significant statistical differences were found between the two treatment combinations. In the oxidation and carbofuran pre-treatment tests, it was possible to observe the formation of hydrolyzed carbofuran and two other main by-products, SP-I and SP-2, that were rejected, 47.85% and 92.80%, respectively, by the membrane XN-40. In verifying the loss of morphologic characteristics from long use of the membranes, under attack of organic compounds in low concentration (“aging”), it could be verified that roughness (0, 3 and 6 months) and the porosity (0, 3 and 6 months) had their characteristics considerably altered. The porosity of membrane XN-40 increased 42.86% when immersed for 3 months and the membrane TS-80 increased in 34.57%. The membrane roughness XN-40 and TS-80, in the immersion tests for 3 months, increased 5.37% and 291% respectively. In the 6 month immersion tests, the increase of porosity of the membranes XN-40 and TS-80 was 29.67% and 18.52% respectively, while the roughness increased 25.27% and 155%, for the same membranes. It can be concluded that polymeric nanofiltration membranes need pre-treatments to reject, with security, organic compounds in low concentration in the contaminated water to meet drinking water standards. Such pre-treatment would affect the efficiency of the membranes in rejecting contaminants after prolonged use.