EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE POLISULFONA EM MEMBRANAS COMPÓSITAS CERÂMICA-POLÍMERO PARA APLICAÇÃO EM PROCESSOS DE SEPARAÇÃO

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1 EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE POLISULFONA EM MEMBRANAS COMPÓSITAS CERÂMICA-POLÍMERO PARA APLICAÇÃO EM PROCESSOS DE SEPARAÇÃO Venina dos Santos 1*, Caroline Z. Mazutti 1, Carlos P. Bergmann 2, Mara Z. Andrade 1 1* Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Universidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul, RS vsantos2@ucs.br 2 Departamento de Materiais, Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Este trabalho tem como objetivo a produção de membranas compósitas com características de materiais poliméricos e cerâmicos. As membranas são produzidas por deposição de top-layer de polisulfona (PSU) sobre o suporte cerâmico de alumina. Os suportes para as membranas foram obtidos a partir da prensagem de placas planas de α-alumina e posterior tratamento térmico (1300 C). A impregnação dos suportes com a PSU 10 e 15% (m/v) foi realizada em N,Ndimetil acetamida como solvente. A secagem foi realizaem estufa à vácuo a 30 C. A caracterização das membranas fezse por de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho (FT-IR) e por testes de permeação. O suporte foi impregnado com PSU, provavelmente, por interação física entre polímero-cerâmica. O revestimento com PSU na superfície do suporte foi observado por FTIR. Os testes de permeação mostraram que, inicialmente, os fluxos permaneceram praticamente iguais para membranas contendo 10 e 15% de PSU. A partir de 1,3 kgf.cm -2 a membrana PSU15% apresentou maior fluxo de permeado em relação à membrana PSU10%. Palavras-chave: Polisulfona, membrana compósita, PSU-Al 2 O 3, processos de separação. Effect of polysulfone concentration in ceramic-polymer composite membranes for application in separation processes This work has as objective the production of composite membranes with characteristics of polymeric and ceramic materials. The membranes are produced by deposition of top-layer of polysulfone (PSU) in alumina ceramic support. The supports for the membranes were obtained from the pressing of flat plates of α-alumina and subsequent heat treatment (1300 C). The impregnation of the supports to the PSU 10 and 15% (w / v) was performed in N, N-dimethyl acetamide as solvent. These samples were dried in a vacuum oven oven at 30 C. Membranes were characterized through scanning electron microscopy (SEM), infrared spectroscopy of (FT-IR) and permeation tests. The support was impregnated with PSU, probably by physical interaction between polymer-ceramic. The PSU coating on the surface of the medium was observed by FTIR. The permeation tests showed that, initially, the pattern remained almost the same for membranes containing 10 and 15% of PSU. With pressure higher than 1.3 kgf.cm -2 the membrane PSU15% showed higher permeate flow on the membrane PSU10%. Keywords: Polysulfone, PSU-Al 2 O 3, composite membrane, separation processes Introdução O aumento da preocupação com questões ambientais fez com que aumentasse a procura por tratamentos empregando tecnologias limpas, dentre eles, os processos de separação por membranas. [1] As membranas poliméricas são muito utilizadas, mas apresentam limitações como durabilidade, resistência a altas temperaturas, facilidade de limpeza, entre outras. Propor um polímero a ser utilizado na fabricação de membranas não é uma escolha arbitrária e aleatória. Esta escolha, normalmente, baseia-se nas propriedades específicas originadas por fatores estruturais os

2 quais irão conferir as seguintes propriedades: propriedades térmicas, químicas e mecânicas, permeabilidade, durabilidade. Existem polímeros específicos para a obtenção de membranas porosas e densas, isto se deve aos requisitos exigidos quando materiais poliméricos são utilizados como membranas. O polímero polisulfona é um termoplástico contendo enxofre que apresenta como características resistência química, resistência ao calor, rigidez e excelentes propriedades elétricas. [2]i O uso de membranas de polisulfona em processos de ultrafiltração tem sido empregado na indústria química, farmacêutica, metalurgica, de papel, de laticínios e de alimentos. [3]ii As membranas de polisulfona podem ser preparadas por inversão de fases. Lee e colaboradores [4]iii prepararam membranas de polisulfonas contendo poli(vinil-pirrolidona) (PVP), aditivo usado para promover a inversão de fase, resultando em macroporos maiores e aumento no fluxo de permeado em relação à membrana de polisulfona sem aditivo. A performance da membrana de polisulfona na indústria farmacêutica pode ser observada na separação por ultrafiltração de riboflavina (vitamina B2) com rejeição de 56,25% onde as condições operacionais foram otimizadas. [5]iv Mesmo com todas estas características favoráveis, as membranas cerâmicas apresentam algumas vantagens que as tornam incomparáveis como: alta inércia química frente a ambientes agressivos (tanto ácidos como básicos), resistência a altas ou reduzidas temperaturas, vida útil mais longa, facilidade de limpeza, entre outras vantagens em relação às poliméricas. Diante deste contexto, as membranas cerâmicas despertaram um maior interesse, pois o uso de metodologias de síntese de pós nanométricos em maior escala, proporcionou alternativas mais econômicas, e, com maior controle para o desenvolvimento desta tecnologia de filtração. Membranas compósitas, cerâmica-polímero, apresentam uma matriz cerâmica (suporte) e a top layer polimérica, geralmente polisulfona, onde a polisulfona atua como material de enchimento e de recobrimento da superfície. [6] Estes tipos de membranas são muito interessantes, visto que apresentam propriedades de materiais poliméricos e cerâmicos. O desenvolvimento de membranas compósitas do tipo cerâmica-polímero se torna atrativo, tendo em vista que na obtenção destas membranas as propriedades dos materiais cerâmicos e poliméricos tornam o produto desta combinação um somatório de características dos dois materiais. O objetivo deste trabalho é estudar a influência da concentração de PSU nas propriedades das membranas compósitas alumina-psu.

3 Experimental Preparação do suporte cerâmico de alumina Os suportes para as membranas foram obtidos a partir da prensagem (LTPE/UCS) de placas planas circulares de α-alumina (Alcoa Alumínio S. A.) e posterior tratamento térmico (1300ºC), no LACER/UFRGS. Preparação de membranas compósitas de alumina-psu com 10 e 15% de PSU As membranas compósitas foram produzidas a partir da deposição de polisulfona (PSU) (Sigma-Aldrich) em solução, sob diferentes concentrações (10% e 15%) em suportes de alumina. O método empregado consiste no preparo de soluções de polisulfona (PSU), 10 e 15% (m/v), usando como solvente N,N-dimetil acetamida (DMA) (Merck) e poli(vinilpirrolidona) (PVP) 1% (m/m) em relação a quantidade de PSU utilizada. O PVP tem como função proporcionar maior porosidade a top layer. As misturas foram agitadas a 20 C por 6h. Os suportes, após a secagem a 100 C por 12h, foram imersos verticalmente por 2h nas soluções de PSU 10 e 15% (m/v), com PVP. A evaporação do solvente foi realizada em estufa a vácuo a 30 C por 6h, e, a secagem das membranas foi obtida a 100ºC por 12h. Caracterização do suporte e membranas A avaliação da morfologia foi efetuada por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). As amostras foram revestidas com ouro (sputtering), sendo utilizado um microscópio Shimadsu (modelo SSX550). As análises de infravermelho por refletância (FTIR-ATR) foram realizadas em um espectrofotômetro Nicolet, modelo is10. Testes de permeação Os testes permeação foram realizados empregando um módulo de filtração do tipo crossflow, para determinar características tais como, fluxo de permeado (FP) (Figura1) utilizando diferentes pressões, onde o permeado foi coletado de 10 em 10 min. O fluxo de permeado foi determinado empregando a equação 1, onde: a = área permeante da membrana. FP = vazão (L h -1 ) Equação1 a (m 2 )

4 Figura 1 Sistema de microfiltragem cross-flow com membranas planas de PSU-alumina. Resultados e Discussão A morfologia da membrana e do suporte cerâmico foi avaliada por MEV, Figuras 2 e 3. Os resultados mostraram que ocorreram, possivelmente, interações físicas entre polímero-cerâmica, pois se observou os grãos da cerâmica e o PSU disperso no suporte. Figura 2 Micrografia (MEV) de superfície do suporte de alumina (aumento 3000x).

5 Figura 3 Micrografia MEV de superfície do suporte de alumina com PSU 10% (aumento 3000x). Foi observada a presença de polisulfona na superfície da membrana (top layer), partir da avaliação do espectro de infravermelho usando o acessório de refletância (ATR), conforme literatura 7, Figura 4. Absorbância (u. a.) Número de onda (cm -1 ) Figura 4 Espectro de FT-IR (ATR) da superfície da membrana (PSU). Avaliando os resultados do teste de permeação (Figura 5) foi observado que o fluxo de permeado se mostrou maior para o suporte, cumprindo o papel de suporte, que é não ser seletivo, enquanto que os fluxos permaneceram praticamente os mesmos para membranas contendo 10 e 15% de PSU até 1,3 kgf.cm -2. A partir de 1,3 kgf.cm -2 a membrana PSU15% apresentou maior fluxo de permeado em relação à membrana PSU 10%. Este comportamento pode ser justificado

6 pela maior concentração do polímero (15%) na matriz cerâmica, provavelmente o polímero não deve ter obstruído os poros do suporte cerâmico de forma tão eficiente comparada com PSU 10%, facilitando o fluxo de permeado. 30 Fluxo Permeado (L.m -2.h -1 ) Suporte Alumina Membrana PSU15% Membrana PSU 10% 0 0,0 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Pressão Entrada (kgf.cm -2 ) Figura 5 Relação entre o fluxo de permeado e pressão de entrada. Conclusões A partir dos resultados obtidos foi possível observar que a alumina foi impregnada com polisulfona, provavelmente, por interação física entre polímero-cerâmica, com revestimento do PSU na superfície do suporte cerâmico, observado por FTIR. Os testes de permeação mostraram que o fluxo de permeado foi maior para o suporte, enquanto que os fluxos permaneceram praticamente os mesmos para membranas contendo 10 e 15% de PSU até 1,3 kgf.cm -2. A partir de 1,3 kgf.cm -2 a membrana PSU15% apresentou maior fluxo de permeado em relação à membrana PSU10%. Este comportamento pode ser justificado pela maior dispersão do polímero na matriz cerâmica. Agradecimentos A Universidade de Caxias do Sul, ao Laboratório de Materiais Cerâmicos (LACER)-UFRGS e a FAPERGS.

7 Referências Bibliográficas 1. C. A. Habert; C. P. Borges; R. Nobrega, Processos de separação por membranas, Rio de Janeiro, e-papers, A. Mistry, Advanced Materials & Processes 1996, 12, A. S. Jonsson; G. Tragardh Desalination 1990, 77, K-W Lee; B-K Seo; S-T Nam; M-J Han Desalination 2003, R. Malaisamy; G. Annadurai; D. Mohan Bioprocess Engineering 2000, 22, R. Weber; H. Chmiel; V. Mavrov, Characteristics and application of new ceramic nanofiltration membrans, C. J. Pouchert, The Aldrich Library of Infrared Spectra, second edition, 1000A