Contribuição das nanopartículas de Fe3O4 para a incrustação da ultrafiltração com pré-coagulação

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 13067 (2015) Citar este artigo

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Um processo de coagulação (FeCl3)-ultrafiltração foi utilizado para tratar duas águas brutas diferentes com/sem a presença de contaminantes de nanopartículas de Fe3O4. Descobriu-se que a existência de nanopartículas de Fe3O4 na água bruta aumenta a incrustação irreversível e reversível da membrana. O aumento da pressão transmembrana (TMP) foi semelhante nos estágios iniciais da membrana para ambas as águas brutas, enquanto aumentou rapidamente após cerca de 15 dias na água bruta com nanopartículas de Fe3O4, sugerindo o envolvimento de efeitos biológicos. A atividade microbiana aprimorada com a presença de nanopartículas de Fe3O4 foi evidente a partir das concentrações medidas de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) e ácido desoxirribonucléico (DNA) e intensidades de fluorescência. Especula-se que nanopartículas de Fe3O4 se acumularam na camada da torta e aumentaram o crescimento bacteriano. Associada ao crescimento bacteriano está a produção de EPS que melhora a ligação com e entre os flocos coagulantes; O EPS, juntamente com tamanhos menores das partículas primárias em escala nanométrica da camada de bolo Fe3O4-CUF, levou à formação de uma camada de bolo de menor porosidade, mais resiliente e ao bloqueio dos poros da membrana.

Os sistemas de membranas de ultrafiltração (UF) estão sendo cada vez mais aplicados no tratamento de águas subterrâneas e superficiais devido à sua capacidade de produzir água potável de alta qualidade de forma econômica, particularmente para a remoção de bactérias e vírus. No entanto, acredita-se que a presença de matéria orgânica natural (MON) nessas águas, tipicamente compreendendo uma mistura complexa de ácidos húmicos e fúlvicos, proteínas e carboidratos, seja o principal incrustante da membrana . Correlações razoavelmente boas foram demonstradas entre a presença dessas substâncias orgânicas e a taxa de incrustações irreversíveis para operações de UF de longo prazo, especialmente no que diz respeito ao conteúdo de biopolímero, como substâncias semelhantes a proteínas e semelhantes a polissacarídeos . Alguns investigadores concluíram que, depois da matéria orgânica, o óxido férrico e a sílica são os seguintes incrustantes mais comuns, seguidos pela alumina e pelo sulfato de cálcio5.

Uma tendência de uso crescente de nanopartículas comerciais é evidente nos últimos anos e há uma preocupação crescente com os problemas ambientais associados à medida que são sintetizadas e utilizadas em larga escala, levando à contaminação de corpos d'água naturais, como pela liberação de água- nanopartículas dispersivas de Fe3O46. Por exemplo, algumas nanopartículas incorporadas em artigos de vestuário podem ser libertadas na água e subsequentemente influenciar o funcionamento de estações de tratamento de águas residuais (ETAR)7. Uma preocupação adicional é que as nanopartículas podem absorver ou incorporar metais tóxicos e transportar toxinas a jusante8. Portanto, a remoção destas nanopartículas da água contaminada é de grande importância e a filtração por membrana, como processo de separação de partículas, é em princípio um método eficaz. No entanto, é possível que as nanopartículas possam exacerbar a incrustação da membrana, uma vez que os tamanhos das nanopartículas são próximos aos dos poros da membrana de ultrafiltração.

A fim de controlar a incrustação da membrana e remover nanopartículas, muitos métodos têm sido utilizados para evitar que os materiais orgânicos incrustantes e as nanopartículas atinjam a membrana, como a troca iônica (IX) 9 e o revestimento de óxido de ferro . A coagulação química “em linha” ou floculação coagulação-hidráulica demonstrou ser uma forma eficaz não apenas de melhorar a qualidade geral da água, mas também de controlar a incrustação da membrana11,12,13. A adição de cloreto de polialumínio teve um impacto positivo na redução de incrustações hidraulicamente irreversíveis causadas por estes constituintes3. No entanto, o processo de coagulação produz uma camada de bolo e muitos estudos experimentais e operações práticas indicaram que a formação da camada de bolo é a principal causa da incrustação da membrana . Portanto, as características da camada do bolo devem ser exploradas e principalmente a presença de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) e bactérias.