Membranas cerâmicas a base de escória de aço inoxidável para aplicação em pré-tratamento da água do mar

Abstract

Resumo: A microfiltração, processo de separação por membranas, tem sido amplamente estudada em processos de pré-tratamento da água do mar. Trabalhos que visam a melhoria do desempenho desse processo com a utilização de membranas, que utilizam materiais inorgânicos e orgânicos, também vêm ganhando destaque. No entanto, o estudo e a aplicação de materiais, como resíduos siderúrgicos, ainda são escassos. Nesse estudo, a escória, resíduo siderúrgico foi utilizada no desenvolvimento de uma membrana cerâmica, para a aplicação em processos de pré-tratamento da água do mar por floculação e filtração. O método hidrotermal, foi utilizado para preparar a mistura entre a escória e argila tratada termicamente, e as amostras foram avaliadas por análise de Fluorescência de Raios X e Difração de Raios X, caracterizada quanto à ligações químicas, tamanho de partícula e estabilidade térmica. O efeito da concentração de escória (5%, 10% e 20%), o tamanho de partícula da argila 10 (tipo B) e 92 µm (tipo A), e a temperatura de sinterização (950, 1100 e 1150°C) nas membranas cerâmicas foram caracterizadas em termos de porosidade aparente e resistência à flexão. As membranas desenvolvidas com escória e argila do tipo B, sinterizadas a 1150°C tiveram melhor desempenho na resistência à flexão e porosidade aparente. Essas membranas foram caracterizadas por análises de Difração de Raios X, morfologia, hidrofilicidade, rugosidade, permeabilidade hidráulica e fluxo permeado a água do mar. Os resultados mostraram que a permeabilidade hidráulica das membranas cerâmicas aumentou com o aumento da concentração de escória, o que pode ser explicado pela redução do ângulo de contato e da rugosidade da membrana. A permeabilidade hidráulica máxima de 5.263,2 kg.m-2.h-1.bar-1 foi alcançada para a membrana com 20% de escória em sua composição. Essa mesma membrana foi submetida à filtração de água do mar e apresentou um bom desempenho como membrana de microfiltração, pois removeu 97,35% da turbidez e apresentou maiores valores de fluxo permeado em relação as membranas fabricadas com 5 e 10% de escória. Levando em consideração o melhor desempenho, a membrana M21-20% Escória 1150°C foi escolhida como pré-tratamento da água do mar por filtração combinada com floculação. A floculação foi realizada com sulfato ferroso e poliacrilamida aniônica em diferentes concentrações nas temperaturas de 20, 40 e 60°C. Utilizando a floculação acoplada com a filtração, em todas as condições de operação, os fluxos foram maiores do que o obtido somente com a filtração. Por outro lado, o fluxo permeado foi mais estável ao longo do tempo usando a mistura entre os dois floculantes na temperatura de 40°C, que alcançou um fluxo máximo de 2.802,764 kg.m-2.h-1, revelando que o uso de floculantes em diferentes temperaturas pode melhorar o desempenho da filtração. Os resultados mostraram que a eficiência do pré-tratamento da água do mar por floculação e filtração com a membrana cerâmica foi melhorada pela incorporação de escória, que se mostra competitiva e viável para aplicações em processos de dessalinização.

Abstract: Microfiltration, a membrane separation process, has been widely studied as a technology for seawater pretreatment. The performance improvement of this process with the use of membranes, which incorporate inorganic and organic materials, is also gaining prominence. However, studies and applications of materials, such as steel residues, in the manufacture of ceramic membranes are still scarce. In this study, slag, a steelmaking residue, was used in the development of a ceramic membrane, to improve the efficiency of seawater pretreatment by flocculation and filtration. The hydrothermal method was used to prepare the mixture between the slag and thermally treated clay, and the samples, evaluated by X-Ray Fluorescence and X-Ray Diffraction analysis, were characterized in terms of chemical bonds, particle size, and thermal stability. The effects of slag concentration (5%, 10%, and 20%), clay particle size (Type A and Type B), and sintering temperature (950, 1100, and 1150°C) on ceramic membranes were evaluated in terms of apparent porosity and flexural strength. The membranes developed with smaller clay particles sintered at 1150°C significantly improved flexural strength and apparent porosity. These membranes were characterized by X-Ray Diffraction, morphology, hydrophilicity, roughness, hydraulic permeability, and seawater permeate flux analyses. Results showed that the hydraulic permeability of the ceramic membranes was improved with the increase of slag concentration, which can be explained by the reduction of the contact angle and the membrane roughness. The results showed that the membrane with 20 wt% of slag has a hydraulic permeability of 5263.2 kg.m-2.h-1.bar-1, which is considerably higher than the other membranes prepared in this work. The membrane with 20% of slag was submitted to the filtration of seawater, and it showed a good performance as a microfiltration membrane, it removed 97.35% of the turbidity and presented higher values of permeate flux concerning membranes manufactured with 5 and 10% of slag. Taking into account the best performance, the M21-20% Slag 1150°C membrane was chosen as pretreatment of seawater by filtration combined with flocculation. The flocculation was performed with ferrous sulfate and anionic polyacrylamide at different concentrations, at temperatures of 20, 40, and 60°C. The permeate flux was higher when flocculation was coupled with filtration than those obtained without flocculant for the pretreatment of seawater. On the other hand, the permeate flux was more stable over time using the mixture between the two flocculants at a temperature of 40°C, which reached a maximum of 2802.764 kg.m-2.h-1, showing that the use of flocculants at different temperatures on filtration may performance improvement. The results confirmed that the efficiency of the pre-treatment of seawater by flocculation and filtration with the ceramic membrane was improved by the incorporation of slag, which shows that the membrane can be competitive and available for applications in desalination processes.