Modificação superficial fotoinduzida de membranas de poli (vinil álcool) para desidratação de glicerol por pervaporação

Abstract

A pervaporação é uma técnica de separação por membranas atraente para separação de misturas líquidas, cujo desempenho é bastante influenciado pelas condições superficiais da membranas. O poli(vinil álcool) (PVA) apresenta características interessantes para ser utilizado na tecnologia de separação por membranas: resistência química, propriedades mecânicas e hidrofilicidade. As condições de preparo (massa molar do polímero, tipo e concentração de reticulante) de membranas suportadas de PVA foram avaliadas, sendo as melhores condições obtidas com polímero com massa molar 146-186kDa e teor mássico de 15% de ácido maleico. Quanto aos testes de pervaporação, as melhores condições de separação com as membranas não funcionalizadas foram obtidas com temperatura de 50ºC e teor máximo 20% de água na alimentação. A permeância da água e a energia de ativação do processo de pervaporação foram calculadas em 1,5Lm-2h-1 e 31,4kJmol-1. O tratamento com radiação VUV em atmosfera inerte a diferentes tempos (30 e 60 minutos) foi responsável pela obtenção de regime de superhidrofilicidade, sendo este comportamento devido à inserção de grupamentos oxigenados, comprovada pelas técnicas de XPS e FTIR-ATR. Ainda, imagens obtidas por perfilometria ótica sugerem que a irradiação prolongada da superfície causa danos à mesma, causando alteração na rugosidade superficial. Por outro lado, o tratamento com radiação UV C (254nm) por 3h em presença de vapor de ácido acrílico (AA) não alterou o perfil de rugosidade da membrana, resultando também em superfície superhidrofílica. O mecanismo de modificação da superfície consistiu na foto polimerização do AA, resultando na deposição de camadas contendo espécies oxigenadas, responsáveis pelo aumento da componente polar da energia livre de superfície. A presença destas espécies foi confirmada pela deconvolução do espectro C1s obtido via XPS. Por fim, testes de pervaporação com as membranas funcionalizadas pelo tratamento VUV (30 e 60 minutos) e radiação UV C/AA (3h) mostraram um aumento na separação glicerol/água em comparação das membranas sem tratamento. Em particular o tratamento UV C/AA resultou em aumento superior a 500% no desempenho de separação da mistura glicerol/água por pervaporação.

Pervaporation is an attractive membrane separation technique for the separation of liquid mixtures, whose performance is strongly influenced by the surface conditions of the membranes. Poly (vinyl alcohol) (PVA) has interesting characteristics to be used in membrane separation technology: chemical resistance, mechanical properties and hydrophilicity. The preparation conditions (polymer molar mass, type and cross linker concentration) of PVA supported membranes were evaluated. The best conditions being obtained with polymer having a molar mass of 146-186kDa and a mass content of 15% of maleic acid. Regarding the pervaporation tests, the best separation conditions with the pristine membranes were obtained with a temperature of 50ºC and a maximum content of 20% of water in the feed. The water permeance and activation energy of the pervaporation process were found to be 1.5Lm-2h-1 and 31,4kJmol-1. Membranes treated by VUV radiation for 30 and 60 min led to superhydrophilic surfaces. XPS and FTIR-ATR measurements confirmed the incorporation of oxygenated species on the surface region. Images obtained by optical profilometry suggest that prolonged VUV surface irradiation causes surface damage decreasing the surface roughness. On the other hand, the treatment with UV C radiation (254nm) for 3h in the presence of acrylic acid vapor (AA) did not alter the roughness profile of the membrane leading also to a superhydrophilic surface. The photo polymerization mechanism of AA resulted in the deposition of layers containing oxygen species that increased the polar components of the free surface energy. These species were confirmed by XPS. Finally, pervaporation tests with membranes functionalized by VUV treatment (30 and 60 minutes) and UV C / AA radiation (3h) showed an increase in glycerol / water separation compared to untreated membranes. In particular the UV C / AA treatment resulted in a 500% increase in the separation performance of the glycerol / water mixture by pervaporation than pristine membranes.