Aumento da seletividade com a incorporação de nanocristais de celulose em membranas de PDMS/TEOS para aplicação em processo de pervaporação

Abstract

Dentre os processos de separação com membranas (PSM), o método de pervaporação é uma alternativa em ascensão, por suas condições operacionais brandas, alta seletividade e menor consumo de energia, quando comparado com os métodos convencionais. Entretanto, para tornar essa alternativa viável industrialmente ainda é necessário o desenvolvimento de membranas com alta seletividade, alto fluxo, com maior resistência mecânica e de baixo custo. Dentro deste contexto, o presente estudo teve como objetivo o aumento da seletividade com a incorporação de nanocristais de celulose em membranas de poli(dimetilsiloxano) – PDMS e reticuladas com tetraetoxissilano - (TEOS) para a separação de etanol/água (EtOH/H2O) pelo processo de pervaporação (PV). Para tanto, realizou-se um planejamento estatístico para avaliar os efeitos das variáveis independentes razão PDMS/TEOS (80/20, 65/35 e 50/50% em massa), a concentração dos nanocristais de celulose (CNC) (1, 3, e 5% em massa) e a temperatura (40, 50 e 60 °C). As membranas foram caracterizadas por diferentes técnicas, como o grau de inchamento, termogravimetria (TGA), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier com refletância total atenuada (FTIR – ATR), ângulo de contato, ensaios mecânicos, microscopia eletrônica de varredura (MEV), testes de permeabilidade e seletividade. O modelo linear determinado pela análise de variância ANOVA, é estatisticamente significativo e adequado para representar a relação entre as respostas (ângulo de contato e resistência mecânica) e as variáveis. Os resultados indicam que a CNC influenciou de forma significativa no aumento da polaridade das membranas nanocompósitas. Todavia, para a resistência mecânica todas as variáveis estudadas e a interação entre elas, com exceção da CNC e da interação razão PDMS/TEOS com a temperatura, apresentaram efeitos significativos. Assim sendo, o ensaio 1 composto pelos níveis superiores para todas as variáveis estudadas (razão PDMS/TEOS, a CNC e a temperatura), indicou um melhor desempenho para os testes de permeabilidade, variando o fluxo total de 42,75 g∙m-2h-1 para 29,48 g∙m-2h-1, após seis horas de experimento. O ensaio 7 composto por 50/50% em massa de PDMS/TEOS, 1% de CNC e a temperatura de 60 °C, apresentou um melhor desempenho para a seletividade, resultando em valores entre 9 - 11, mostrando que de fato a membrana nanocompósita é eficiente para a separação de EtOH/H2O. Portanto, este estudo é inovador na área proponente e com um grande potencial para aplicação industrial.

Among the membrane separation processes (PSM), the pervaporation method is an ascending alternative due to its soft operating conditions, high selectivity and lower energy consumption when compared to conventional methods. However, to make this alternative viable industrially, it is still necessary to develop membranes with high selectivity, high flow, with higher mechanical resistance and low cost. In this context, the present study aimed to increase the selectivity with the incorporation of cellulose nanocrystals in poly(dimethylsiloxane) - PDMS and tetraethoxysilane (TEOS) membranes for the separation of ethanol/water (EtOH/H2O) by the pervaporation process (PV). For this purpose, a statistical analysis was performed to evaluate the effects of PDMS/TEOS ratio (80/20, 65/35 and 50/50% by mass), the concentration of cellulose nanocrystals (CNC) (1, 3, and 5% by mass) and the temperature (40, 50 and 60 °C). Membranes were characterized by different techniques such as swelling, thermogravimetry (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance (FTIR - ATR), contact angle, mechanical tests, scanning electron microscopy (SEM) , permeability and selectivity tests. The linear model determined by the analysis of variance ANOVA, is statistically significant and adequate to represent the relationship between the responses (contact angle and mechanical resistance) and variables. The results indicate that the CNC had a significant influence on the increase of the polarity of the nanocomposite membranes. However, for the mechanical resistance all the studied variables and the interaction between them, with the exception of the CNC and the PDMS/TEOS ratio interaction with temperature, presented significant effects. Thus, assay 1 composed of the higher levels for all variables studied (PDMS/TEOS ratio, CNC and temperature), indicated a better performance for the permeability tests, varying the total flux of 42.75 g∙m-2 h -1 to 29.48 g∙m-2 h -1 , after six hours of experiment. Assay 7 consisting of 50/50 mass% of PDMS/TEOS, 1% CNC and the temperature of 60 °C, showed a better performance for selectivity, resulting in values between 9 -11, showing that in fact the membrane nanocomposite is efficient for the separation of EtOH/H2O. Therefore, this study is innovative in the proposing area and with great potential for industrial application