Una estrategia escalable y libre de productos químicos para membranas de ultrafiltración de PVDF antiincrustantes mediante la modificación superficial macromolecular hidrofílica.
Artículo Original https://link.springer.com,, traducido por WATERXPERT
La incrustación es un problema importante en el tratamiento de aguas residuales oleosas, ya que aumenta los costos operativos y reduce el rendimiento de las membranas. Este estudio tiene como objetivo desarrollar una membrana de ultrafiltración (UF) de PVDF modificada con propiedades antiincrustantes mejoradas mediante el uso de macromoléculas hidrofílicas modificadoras de superficie (LSMM) a través de un sencillo proceso de mezcla e inversión de fases.
Las membranas de PVDF se fabricaron incorporando LSMM a la solución de polímero. Durante la inversión de fases, las LSMM migraron espontáneamente a la interfase membrana-aire, formando una capa superficial hidrofílica estable y con carga negativa. Las membranas se caracterizaron en cuanto a su permeabilidad, rechazo de aceite, rendimiento antiincrustante y estabilidad a largo plazo en operación continua. La membrana optimizada L₀.₅₀ T-PVDF mostró un aumento del 58 % en el flujo de agua pura (880 L m⁻² h⁻¹) y un rechazo de aceite del 99,9 %. Se eliminó la incrustación irreversible (Rᵢᵣ = 0 %), con una tasa de recuperación de flujo (FRR) del 100 % sostenida durante cinco ciclos de limpieza. La filtración continua durante 24 h mantuvo un flujo de permeado estable de 775 L m⁻² h⁻¹, lo que indica una excelente durabilidad.
La modificación superficial inducida por LSMM mitiga eficazmente la incrustación de la membrana al prevenir el bloqueo de poros y la adhesión de contaminantes, eliminando la necesidad de limpieza química. Este enfoque ofrece una solución sostenible, escalable y rentable para el tratamiento de aguas residuales industriales oleosas. El trabajo futuro explorará la validación a escala piloto, la optimización de la formulación de LSMM y la evaluación del rendimiento en diversas condiciones de operación.
El uso industrial de petróleo y derivados genera aguas residuales oleosas que contienen hidrocarburos, tensioactivos y subproductos de degradación que representan graves riesgos ambientales si no se tratan. El aceite en las aguas residuales se presenta como gotitas libres (> 200 µm; fácilmente separables por flotación o gravedad), gotitas dispersas (20–200 µm; que requieren una separación avanzada) y gotitas emulsionadas (< 20 µm; estabilizadas por tensioactivos y las más difíciles de eliminar).
El aceite emulsionado, en particular, exige tratamientos avanzados como la filtración por membrana. Los límites regulatorios (p. ej., los de la USEPA de 10–15 mg L⁻¹ para aceites y grasas) buscan proteger la calidad del agua; sin embargo, los métodos convencionales a menudo no logran eliminar eficazmente las gotitas de aceite pequeñas y de baja concentración, una deficiencia que se soluciona con las membranas de ultrafiltración de PVDF con superficie modificada. La industria petrolera utiliza la sedimentación, la filtración y la coagulación química para eliminar el aceite, las partículas y los contaminantes de las aguas residuales.
Estos métodos funcionan bien con gotitas de aceite grandes, pero presentan dificultades con aceites de baja concentración (< 400 ppm) y diámetro pequeño (< 20 µm). La filtración por coalescencia de lecho puede aglomerar las gotas, pero es menos eficaz en aguas residuales complejas y ricas en surfactantes. Los métodos convencionales requieren un coste y un espacio considerables. Las membranas de ultrafiltración (UF) solucionan estos problemas al separar eficazmente el aceite emulsionado en un sistema compacto.
La aplicación de la UF para el tratamiento de aguas residuales oleosas se ha estudiado ampliamente desde la década de 1970. Si bien las primeras investigaciones se centraron principalmente en las membranas cerámicas para el tratamiento de emulsiones de agua y aceite, los avances recientes han puesto mayor énfasis en el uso de membranas poliméricas de UF. Los estudios han demostrado que estas membranas pueden lograr altas tasas de rechazo de aceite, manteniendo un flujo de permeación estable en diversas condiciones de funcionamiento. Estas membranas han experimentado avances significativos en la mejora del flujo, la estructura de poros y el rechazo de contaminantes, con especial énfasis en mantener un alto rendimiento incluso a presiones de funcionamiento considerablemente más bajas que las de diseños anteriores.
Sin embargo, la obstrucción de la membrana sigue siendo un gran desafío, lo que provoca una disminución gradual del rendimiento, una reducción del flujo de agua y una mayor penetración de contaminantes con el tiempo. La obstrucción de las membranas afecta directamente la viabilidad económica de la separación basada en ultrafiltración (UF), lo que requiere una limpieza y sustitución frecuentes de las membranas.
El fluoruro de polivinilideno (PVDF) se utiliza ampliamente en membranas de UF debido a su rentabilidad, eficiencia de separación superior, facilidad de fabricación y alta estabilidad química y mecánica, lo que lo hace idóneo para aplicaciones de tratamiento de agua a gran escala.
Las membranas de PVDF también son apreciadas por su procesabilidad y compatibilidad con diversas técnicas de fabricación. Sin embargo, la hidrofobicidad inherente del PVDF aumenta su propensión a la obstrucción, especialmente con contaminantes hidrofóbicos como las gotas de aceite, lo que conlleva una fuerte adhesión de los contaminantes, una obstrucción irreversible y una menor vida útil de la membrana.
Por consiguiente, una parte importante de la investigación se centra en la modificación de las membranas de PVDF para mejorar su hidrofilicidad y sus propiedades antiincrustantes, con el objetivo de mitigar la obstrucción y mejorar el rendimiento de la filtración a largo plazo.
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