Modificação avançada de superfície resistente à (bio)incrustação de PTFE oco

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11871 (2023) Citar este artigo

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O tratamento de superfície da membrana para modificar a resistividade anti-(bio)incrustante desempenha um papel fundamental na tecnologia de membrana. Este artigo relata o uso bem-sucedido da polimerização superficial estimulada pelo ar de nanopartículas de ZnO incorporadas em cloridrato de dopamina (NPs de ZnO) para impedir a hidrofobicidade intrínseca e baixa resistividade anti-(bio) incrustante de membranas de fibra oca de politetrafluoroetileno (PTFE) (HFMs). O estudo envolveu o uso de HFMs de PTFE revestidos com polidopamina e polidopamina (Pdopa), com e sem a presença de suprimento de ar e NPs de ZnO adicionados. Medições de potencial Zeta foram realizadas para avaliar a estabilidade de dispersão de NPs de ZnO antes da imobilização, enquanto a caracterização morfológica e a dependência do tempo da camada de crescimento de Pdopa foram ilustradas através de microscopia eletrônica de varredura. A polimerização superficial de Pdopa e a imobilização de NPs de ZnO foram confirmadas por espectroscopia FT-IR e EDX. A transformação das características da superfície do PTFE HFM em superhidrofílicas foi demonstrada através da análise do ângulo de contato da água e da estabilidade dos NPs de ZnO imobilizados avaliada pela análise de ICP. Os critérios antiincrustantes e o desempenho de resistividade (bio)incrustante das membranas modificadas na superfície foram avaliados através da determinação da recuperação de fluxo de albumina sérica bovina em filtração sem saída, bem como avaliação microbiana em condições de contato dinâmico contra Staphylococcus spp. e Escherichia coli, respectivamente. A taxa de recuperação de filtração e os resultados antimicrobianos sugeriram impactos promissores de modificação de superfície nas propriedades antiincrustantes do PTFE HFM. Como tal, o método representa o primeiro uso bem sucedido de revestimento de Pdopa estimulado por ar incorporando NPs de ZnO para induzir a modificação da superfície super-hidrofílica de PTFE HFM. Tal método pode ser estendido a outras membranas associadas a processos de tratamento de água.

As membranas são comumente usadas em sistemas de tratamento de água devido à sua pequena área ocupada, custos operacionais razoáveis, alta eficiência de separação seletiva e alta qualidade do permeado final1,2,3. A filtração por membranas é uma tecnologia versátil que pode ser acoplada a outros sistemas de separação de água, incluindo micro e ultrafiltração em biorreatores, onde representa um substituto autônomo para clarificadores secundários e nanofiltração no tratamento de água potável4,5. Um obstáculo importante que impede o desenvolvimento de membranas como a principal opção em sistemas de tratamento de água, entretanto, é a (bio)incrustação4,6.

A incrustação da membrana é o problema mais comum que reduz a produtividade da membrana durante a filtração7. A fixação de matéria inorgânica, a deposição de resíduos orgânicos, o aprisionamento de substratos particulados e o acúmulo de microorganismos podem criar uma camada de bolo na superfície da membrana, levando ao bloqueio dos poros, aumento da pressão transmembrana, aumento do consumo de energia, redução do fluxo de permeado e funcionalidade ineficiente da membrana4,7. Ao integrar resultados práticos de ultrafiltração de membrana em sistemas de biorreatores com modelos teóricos de bloqueio da camada de bolo, Yang et al.8 concluíram que tais camadas de bolo eram o principal incrustante das membranas, com Wardani et al.9 observando que a taxa real de incrustação era a resultado de uma correlação entre as propriedades intrínsecas da membrana e a composição incrustante.

Devido à ampla estabilidade física e química, os polímeros orgânicos sintéticos são cada vez mais utilizados como matéria-prima para a produção de membranas de fibra oca de ultrafiltração (HFMs)9,10. Por exemplo, o politetrafluoroetileno (PTFE) é frequentemente utilizado devido às suas propriedades físico-químicas inerentes comparativamente mais altas do que outros HFMs convencionais aplicados para tratamento de água. O PTFE possui alta resistividade química permitindo sua utilização em diversos processos de tratamento de água, mesmo quando exposta a substâncias agressivas ou corrosivas. O PTFE também apresenta tolerância a altas temperaturas, o que ajuda a resistir a temperaturas elevadas sem comprometer sua integridade física; e flexibilidade que permite que as membranas submersas agitem e se movam facilmente dentro do sistema do biorreator sem medo de rasgar11. Por estas razões, o PTFE foi escolhido neste estudo. No entanto, os HFMs de PTFE possuem características hidrofóbicas que facilitam a adsorção de proteínas, ácidos graxos e a maioria dos microrganismos filamentosos (MO) em um processo que contribui para a incrustação da membrana . A fase dominante desses grupos incrustantes é hidrofóbica, o que significa que é atraída para a superfície hidrofóbica da membrana orgânica , aumentando assim a taxa de incrustação através da fixação à superfície da membrana ou ficando presa dentro dos poros da membrana .