Caracterização de membranas aniônicas e avaliação do transporte de íons fosfato em um sistema de eletrodiálise

Abstract

El fósforo es inherente al mantenimiento de la vida y desempeña un papel fundamental en la producción de alimentos. La inminente escasez de rocas fosfóricas, principal materia prima para la producción de fertilizantes a base de fósforo ha impulsado la investigación sobre la recuperación de este nutriente a partir de fuentes alternativas, como las aguas residuales municipales. En un estudio reciente, fue posible concentrar y recuperar fosfatos de una solución que simulaba aguas residuales municipales mediante electrodiálisis, además de promover la separación de fosfatos de los aniones coexistentes. Sin embargo, este proceso de separación comprometió la estructura de la membrana aniónica. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue evaluar el desempeño de dos membranas aniónicas, su estabilidad a través del proceso y las reacciones que ocurren en sus interfases, buscando la recuperación de fosfatos a partir de una solución con bajo contenido de este nutriente. Se realizaron experimentos de electrodiálisis bajo intenso campo eléctrico utilizando dos membranas aniónicas diferentes, una de origen chino (IONSEP-HC-A) y otra checa (AMHPP, resistente a medios alcalinos), caracterizándolas antes y después de los ensayos. Además, se estudiaron las reacciones químicas que acompañan al transporte de fosfatos a través de membranas aniónicas mediante voltamperometría lineal, cronopotenciometría y espectroscopia de impedancia electroquímica. Los resultados de las pruebas de electrodiálisis indican la posibilidad de separación de iones de fosfato utilizando la membrana IONSEP-HC-A, condición que no se logra con la membrana AMHPP. Mediante espectros FTIR se observó que la aplicación de campos eléctricos intensos provocó la transformación parcial de los grupos funcionales de ambas membranas. Sin embargo, además de esto, se notó la degradación de la malla estructural de la membrana china. Además, las imágenes SEM indicaron la formación de cavidades en la superficie de la membrana IONSEPHC-A, lo que no se observó en la membrana AMHPP. A través de estas imágenes también se observó que la superficie de la membrana AMHPP tiene una mayor área conductora, lo que puede facilitar la formación de vórtices electroconvectivos, mientras que la distribución de grupos funcionales en la membrana IONSEP-HC-A facilitaría la disociación del agua. Estas suposiciones se confirman mediante espectros de impedancia y curvas cronopotenciométricas. Para la membrana AMHPP, las curvas cronopotenciométricas atestiguan que la electroconvección es el mecanismo predominante de transferencia de masa, a pesar de la presencia de arcos de Gerischer que indican la ocurrencia de reacciones químicas en la capa límite de difusión. En cuanto a la membrana IONSEP-HC-A, los resultados muestran el predominio de la disociación del agua, lo que dificulta el paso de los iones fosfato a través de la membrana y permite su separación. De esta forma, el trabajo realizado contribuye a una futura recuperación de fósforo por electrodiálisis, habiendo conocido los fenómenos que pueden alterar la estructura de la membrana y las reacciones que se producen en sus interfases.

O fósforo é inerente à manutenção da vida e exerce um papel fundamental na produção de alimentos. A iminente escassez de rochas fosfatadas, principal matéria-prima para produção de fertilizantes a base de fósforo tem impulsionado pesquisas sobre a recuperação desse nutriente de fontes alternativas, como as águas residuárias municipais. Em estudo recente, foi possível concentrar e recuperar fosfatos de uma solução simulando uma água residuária municipal através da eletrodiálise, bem como promover a separação de fosfatos de ânions coexistentes. Entretanto, esse processo de separação comprometeu a estrutura da membrana aniônica. Assim sendo, o objetivo desse trabalho foi avaliar o desempenho de duas membranas aniônicas, sua estabilidade mediante o processo e as reações que ocorrem em suas interfaces, visando a recuperação de fosfatos de uma solução com baixo teor desse nutriente. Foram realizados experimentos de eletrodiálise mediante intenso campo elétrico utilizando duas membranas aniônicas, uma de origem chinesa (IONSEP-HC-A) e outra tcheca (AMHPP, resistente a meios alcalinos), caracterizando-as antes e após os ensaios. Ainda, foram estudadas as reações químicas que acompanham o transporte de fosfatos por membranas aniônicas empregando a voltametria linear, cronopotenciometria e a espectroscopia de impedância eletroquímica. Os resultados dos ensaios de eletrodiálise indicam a possibilidade de separação de íons fosfato usando a membrana IONSEP-HC-A, condição não atingida com a membrana AMHPP. Por meio de espectros de FTIR, observou-se que a aplicação de intensos campos elétricos ocasionou a transformação parcial dos grupos funcionais de ambas as membranas. Porém, adicionalmente a isso, notou-se a degradação da malha estrutural da membrana chinesa. Ainda, imagens de MEV indicaram a formação de cavidades na superfície da membrana IONSEP-HC-A, o que não foi observado para a membrana AMHPP. Por meio dessas imagens, observou-se também que a superfície da membrana AMHPP possui maior área condutora, podendo facilitar a formação de vórtices eletroconvectivos, enquanto a distribuição dos grupos funcionais na membrana IONSEP-HC-A facilitaria a dissociação de água. Essas suposições são confirmadas por meio de espectros de impedância e curvas cronopotenciométricas. Para a membrana AMHPP, curvas cronopotenciométricas atestam a eletroconvecção como mecanismo de transferência de massa predominante, apesar da presença de arcos de Gerischer indicando a ocorrência de reações químicas na camada limite de difusão. Já para a membrana IONSEP-HCA, os resultados evidenciam a predominância da dissociação de água, dificultando a passagem de íons fosfato através da membrana e permitindo a sua separação. Dessa forma, o trabalho realizado contribui para uma futura recuperação de fósforo por eletrodiálise, tendo conhecidos os fenômenos que possam alterar a estrutura da membrana e as reações que ocorrem em suas interfaces.

El fòsfor és inherent al manteniment de la vida i exerceix un paper fonamental en la producció d'aliments. La imminent escassetat de roques fosfòriques, principal matèria primera per a la producció de fertilitzants a base de fòsfor ha impulsat la investigació sobre la recuperació d'aquest nutrient a partir de fonts alternatives, com les aigües residuals municipals. En un estudi recent, va ser possible concentrar i recuperar fosfats d'una solució que simulava aigües residuals municipals mitjançant electrodiálisis, a més de promoure la separació de fosfats dels anions coexistents. No obstant això, aquest procés de separació va comprometre l'estructura de la membrana aniònica. Per tant, l'objectiu d'aquest treball va ser avaluar l'acompliment de dues membranes aniòniques, la seua estabilitat a través del procés i les reaccions que ocorren en les seues interfases, buscant la recuperació de fosfats a partir d'una solució amb baix contingut d'aquest nutrient. Es van realitzar experiments de electrodiálisis baix intens camp elèctric utilitzant dues membranes aniòniques diferents, una d'origen xinés (IONSEP-HC-A) i una altra txeca (AMHPP, resistent a mitjans alcalins), caracteritzant-les abans i després dels assajos. A més, es van estudiar les reaccions químiques que acompanyen al transport de fosfats a través de membranes aniòniques mitjançant voltamperometria lineal, cronopotenciometría i espectroscòpia d'impedància electroquímica. Els resultats de les proves de electrodiálisis indiquen la possibilitat de separació d'ions de fosfat utilitzant la membrana IONSEP-HC-A, condició que no s'aconsegueix amb la membrana AMHPP. Mitjançant espectres FTIR es va observar que l'aplicació de camps elèctrics intensos va provocar la transformació parcial dels grups funcionals de totes dues membranes. Tanmateix, a més d'això, es va notar la degradació de la malla estructural de la membrana xinesa. A més, les imatges SEM van indicar la formació de cavitats en la superfície de la membrana IONSEP-HC-A, la qual cosa no es va observar en la membrana AMHPP. A través d'aquestes imatges també es va observar que la superfície de la membrana AMHPP té una major àrea conductora, la qual cosa pot facilitar la formació de vòrtexs electroconvectivos, mentre que la distribució de grups funcionals en la membrana IONSEP-HC-A facilitaria la dissociació de l'aigua. Aquestes suposicions es confirmen mitjançant espectres d'impedància i corbes cronopotenciométricas. Per a la membrana AMHPP, les corbes cronopotenciométricas testifiquen que la electroconvección és el mecanisme predominant de transferència de massa, malgrat la presència d'arcs de Gerischer que indiquen l'ocurrència de reaccions químiques en la capa límit de difusió. Quant a la membrana IONSEPHC-A, els resultats mostren el predomini de la dissociació de l'aigua, la qual cosa dificulta el pas dels ions fosfate a través de la membrana i permet la seua separació. D'aquesta manera, el treball realitzat contribueix a una futura recuperació de fòsfor per electrodiálisis, havent conegut els fenòmens que poden alterar l'estructura de la membrana i les reaccions que es produeixen en les seues interfases.

Phosphorus is inherent in maintaining life and plays a key role in food production. The imminent scarcity of phosphate rocks, the main raw material for the production of phosphorusbased fertilizers has boosted research on the recovery of this nutrient from alternative sources, such as municipal wastewater. In a recent study, it was possible to concentrate and recover phosphates from a solution simulating municipal wastewater through electrodialysis, as well as promoting the separation of phosphates from existing anions. However, this separation process compromised the structure of the anion-exchange membrane. Therefore, the objective of this work was to evaluate the performance of two anionic membranes, their stability through the process, and the reactions that occur at their interfaces, aiming at the recovery of phosphates from a solution with low content of this nutrient. Electrodialysis experiments were carried out under an intense electric field using two different anion-exchange membranes, one of Chinese origin (IONSEP-HC-A) and the other Czech (AMHPP, alkali-resistant), characterizing them before and after the tests. Furthermore, chemical reactions that accompany the transport of phosphates through anion-exchange membranes were studied using linear voltammetry, chronopotentiometry and electrochemical impedance spectroscopy. The electrodialysis results indicate the possibility of phosphates separation using the IONSEP-HC-A membrane, a condition not achieved with the AMHPP membrane. Through FTIR spectra, it was observed that the application of intense electric fields caused the partial transformation of the functional groups of both membranes. However, in addition to this, the degradation of the structural mesh of the Chinese membrane was noted. Furthermore, SEM images indicated the formation of cavities on the surface of the IONSEP-HC-A membrane, which was not observed for the AMHPP membrane. Through these images, it was also observed that the surface of the AMHPP membrane has a larger conductive area, which may facilitate the formation of electroconvective vortices, while the distribution of functional groups in the IONSEP-HC-A membrane would facilitate the dissociation of water. These assumptions are confirmed by means of impedance spectra and chronopotentiometric curves. For the AMHPP membrane, chronopotentiometric curves attest to electroconvection as the predominant mass transfer mechanism, despite the presence of Gerischer arcs indicating the occurrence of chemical reactions in the diffusion boundary layer. As for the IONSEP-HC-A membrane, the predominance of water dissociation was noted, making it difficult for phosphate ions to pass through the membrane and allowing their separation. In this way, the work carried out contributes to a future recovery of phosphorus by electrodialysis, having known the phenomena that can alter the structure of the membrane and the reactions that occur at its interfaces.