Aplicação de materiais lamelares inorgânicos no desenvolvimento de membranas nanoestruturadas

dc.contributor.advisorMaroneze, Camila Marchetti
dc.contributor.authorAquino, Caroline Brambilla de
dc.date.accessioned2024-10-15T15:23:06Z
dc.date.available2024-10-15T15:23:06Z
dc.date.issued2024-08-26
dc.description.abstractA crescente demanda por processos eficientes na separação óleo-água em indústrias, como a petrolífera e a de tratamento de efluentes, evidencia a necessidade de desenvolver membranas com desempenho superior. Os principais obstáculos a serem superados são a incrustação (fouling), que reduz a eficiência e a durabilidade das membranas, e a dificuldade de equilibrar seletividade e permeabilidade. Este trabalho aborda o desenvolvimento de membranas nanoestruturadas utilizando materiais lamelares inorgânicos para a separação de misturas óleo-água. O principal objetivo na aplicação desses materiais foi encontrar a melhor condição para tratamento de água produzida, superando os desafios de incrustação. A água produzida, é composta por uma mistura de água que está presente no reservatório junto com o petróleo ou gás) e, em alguns casos, para ajudar a aumentar a pressão do reservatório e facilitar a produção. As membranas poliméricas comerciais apresentam 95% de efetividade na retenção de contaminantes; porém, não são uma solução para os efeitos de entupimento em sistemas de filtração, ocasionado pelas espécies orgânicas. A modificação dessas membranas com argilas minerais bidimensionais é uma estratégia para modular as propriedades das membranas, orientar as camadas, controlar a espessura, reter íons e moléculas menores, funcionalizar e promover maior seletividade. As argilas: Vermiculita (VMT), Montmorilonita (MMT) e Talco foram selecionadas para modificar a superfície de membranas comerciais. Como elas apresentam diferentes propriedades, tais como carga e caráter hidrofílico, foi possível identificar quais características são essenciais para melhorar a eficiência desses sistemas. Para isso diferentes métodos de esfoliação foram utilizados: esfoliação direta, esfoliação assistida por intercalação e esfoliação assistida por troca iônica. As análises para determinação do potencial zeta permitiram acompanhar as mudanças na carga das estruturas em função do íon intercalante, e as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de força atômica (AFM) revelaram o sucesso da esfoliação. As suspensões das argilas esfoliadas foram utilizadas para a modificação da superfície da membrana de poliamida (PA) por meio do processo de filtração a vácuo. As membranas foram caracterizadas por difratometria de raios-X e por medidas do ângulo de contato em função do método de gota séssil. Os resultados obtidos permitiram identificar as propriedades de molhabilidade e hidrofilicidade das Aplicação de Materiais Lamelares Inorgânicos no Desenvolvimento de Membranas Nanoestruturadas 12 membranas produzidas. Cada uma das argilas modificou as propriedades de superfície da membrana PA de uma forma diferente, alterando sua característica hidrofílica para superhidrofílica ou hidrofóbica, dependendo do mineral. A atuação das membranas modificadas em um processo de separação óleo-água foi avaliada por meio de sistemas de filtração tangencial e axial, ambos em baixa pressão. As membranas tratadas foram eficientes na separação de uma emulsão tolueno-água, resultando em valores de rejeição da espécie oleosa superiores a 99%, com destaque para a membrana de VMT, que também apresentou uma excelente propriedade anti incrustante após 42 horas de fluxo no sistema de filtração. A permeabilidade da membrana nanoestruturada se mostrou estável ao longo desse período, mantendo sua capacidade de rejeição próxima a 100%, enquanto a membrana comercial mostrou efeitos de entupimento em oito horas de processo e redução na rejeição de contaminantes. Nesse contexto, o estudo mostrou que as argilas minerais possuem potencial significativo para modulação de propriedades de superfícies das membranas, tornando-as atraentes para resolver desafios em processos de separação óleo-água.
dc.description.sponsorshipIPM - Instituto Presbiteriano Mackenzie
dc.identifier.urihttps://dspace.mackenzie.br/handle/10899/39597
dc.language.isopt_BR
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Presbiteriana Mackenzie
dc.subjectargilas minerais
dc.subjectmembranas nanoestruturadas
dc.subjectseparação e tratamento de água
dc.titleAplicação de materiais lamelares inorgânicos no desenvolvimento de membranas nanoestruturadas
dc.typeTese
local.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/2414168927233444
local.contributor.advisorOrcidhttps://orcid.org/0000-0002-6835-4476
local.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9523073457264805
local.contributor.authorOrcidhttps://orcid.org/0000-0002-8190-3310
local.contributor.board1Silva, Cecilia de Carvalho Castro e
local.contributor.board1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6889517148629242
local.contributor.board1Orcidhttps://orcid.org/0000-0003-3933-1838
local.contributor.board2Bonturim, Everton
local.contributor.board2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1155726883286152
local.contributor.board2Orcidhttps://orcid.org/0000-0001-5302-9091
local.contributor.board3Melo Junior, Mauricio Alves de
local.contributor.board3Latteshttp://lattes.cnpq.br/6904362730641014
local.contributor.board4Guimarães, Kleber Lanigra
local.contributor.board4Latteshttp://lattes.cnpq.br/4993673289623018
local.description.abstractenThe increasing demand for efficient oil-water separation processes in industries such as petroleum and wastewater treatment highlight the need for developing membranes with superior performance. The main obstacles to overcome are fouling, which reduces membrane efficiency and durability, and the difficulty of balancing selectivity and permeability. This work addresses the development of nanostructured membranes using inorganic layered materials for the separation of oil-water mixtures. The main objective in applying these materials was to find the best condition for produced water treatment, overcoming the challenges of fouling. Produced water is composed of a mixture of water that is present in the reservoir along with oil or gas, and, in some cases, is injected to increase reservoir pressure and facilitate production. Commercial polymeric membranes exhibit 95% effectiveness in contaminant retention; however, they do not provide a solution to the clogging effects in filtration systems caused by organic species. The modification of these membranes with two-dimensional clay minerals is a strategy to modulate membrane properties, orient layers, control thickness, retain ions and smaller molecules, functionalize, and promote greater selectivity. The clays Vermiculite (VMT), Montmorillonite (MMT), and Talc were selected to modify the surface of commercial membranes. As they exhibit different properties, such as charge and hydrophilic character, it is possible to identify which characteristics are essential to improving the efficiency of these systems. Different exfoliation methods were used: direct exfoliation, intercalation-assisted exfoliation, and ion exchange-assisted exfoliation. Zeta potential analyses allowed monitoring of the structural charge changes due to the intercalating ion, and scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) techniques revealed the success of exfoliation. The exfoliated clay suspensions were used to modify the surface of polyamide (PA) membranes through the vacuum filtration process. The membranes were characterized by X-ray diffraction and by contact angle measurements using the sessile drop method. The results obtained allowed the identification of the wettability and hydrophilicity properties of the produced membranes. Each clay modified the surface properties of the PA membrane in a different way, changing its hydrophilic characteristic to superhydrophilic or hydrophobic, depending on the mineral. The performance of the modified membranes Aplicação de Materiais Lamelares Inorgânicos no Desenvolvimento de Membranas Nanoestruturadas 14 in an oil-water separation process was evaluated through tangential and axial filtration systems, both under low pressure. The treated membranes were efficient in separating a toluene-water emulsion, resulting in oil rejection values above 99%, with the VMT membrane standing out, also showing excellent anti-fouling properties after 42 hours of flow in the filtration system. The permeability of the nanostructured membrane remained stable throughout this period, maintaining its rejection capacity close to 100%, while the commercial membrane showed clogging effects after eight hours of operation and a reduction in contaminant rejection. In this context, the study demonstrated that mineral clays have significant potential for modulating membrane surface properties, making them attractive for addressing challenges in oil-water separation processes.
local.description.sponsorshipOtherEmpresa/Indústria: PETROBRAS
local.keywordsmineral clays
local.keywordsnanostructured membranes
local.keywordswater separation and treatment
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentEscola de Engenharia Mackenzie (EE)
local.publisher.initialsUPM
local.publisher.programEngenharia de Materiais e Nanotecnologia
local.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
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