Nanostructured, thin film composite and nanocomposite membranes for water treatment

Resumen

La presente tesis doctoral se centra en la preparación, caracterización, modificación y optimización de membranas novedosas y avanzadas con una eficiencia de anti-ensuciamiento (EAE) orgánico y microbiano mejorada para el tratamiento y desinfección de diferentes tipos de aguas. Se han desarrollado tres tipos diferentes de membranas: i) nanoestructuradas, ii) compuestas de capa fina y iii) nanocompuestas. En el cap. 1 se plantea de forma general la tecnología de separación por membranas como una alternativa eficaz y sostenible para el tratamiento del agua y se discute su mayor limitante, el ensuciamiento de las membranas, y las diferentes técnicas empleadas para intentar mitigarlo. El cap. 2 ofrece una visión general del progreso realizado por la comunidad científica durante los últimos años en la preparación de nuevas membranas para el tratamiento de agua. En el cap. 3, se prepararon membranas nanoestructuradas electrohiladas de polisulfona (MNE PSU) y se usaron para el tratamiento de aguas residuales con materia orgánica. Se estudiaron los parámetros de electrohilatura involucrados en la fabricación de las membranas y sus efectos sobre la estructura y la morfología de las mismas para optimizar su eficiencia de filtración (EF). En el cap. 4, se llevó a cabo un estudio sistemático sobre los efectos de un post-tratamiento térmico (PTT) en las propiedades estructurales y morfológicas de las membranas, así como en su tendencia al ensuciamiento y en su EF, y se optimizaron las condiciones del PTT. En el cap. 5, la EAE de las membranas MNE PSU térmicamente tratadas y optimizadas se mejoró al modificar su superficie con polimerización interfacial (PI), formándose membranas nanofibrosas compuestas de capa fina de poliéster (NCCF PE). La EF y la EAE de estas membranas para diferentes tiempos de reacción de la PI se correlacionaron con sus propiedades fisicoquímicas, y se obtuvieron las condiciones óptimas de la PI. También se prepararon láminas finas de PE bajo las condiciones óptimas de PI sobre diferentes membranas usadas como soporte. Finalmente, se muestra un estudio comparativo entre las membranas NCCF PE desarrolladas y las típicas membranas compuestas de capa fina (CCF) de poliamida (PA) preparadas en la bibliografía. En el cap. 6, se desarrollaron membranas nanocompuestas con electrodos de nanotubos de carbono entrelazados (ENE) y se usaron para la filtración electroquímica de agua contaminada con P. fluorescens. Se aplicó un voltaje de CC o CA en los ENE durante la filtración como un método activo para mitigar el bio-ensuciamiento. Se discutieron los efectos del ENE electroquímicamente activo sobre la morfología de las bacterias y su acumulación en la superficie de las membranas. Además, se obtuvieron las condiciones de operación óptimas para mejorar la EAE de estas membranas durante el proceso de filtración y retro-lavado. En el cap. 7, se desarrolló un método de estandarización del óxido de grafeno (OG) con el objetivo de permitir el salto de este nanomaterial del laboratorio a la industria. Se demostró la implementación del OG en aplicaciones de tratamiento de agua mediante la preparación de diferentes membranas nanocompuestas de OG, que se evaluaron en términos de permeabilidad y EAE hacia la adhesión bacteriana de E. Coli. En el cap. 8, se consideró la incorporación de nanopartículas de dióxido de titanio en la superficie de las membranas MNE PSU como otra posible vía de reducir su tendencia al ensuciamiento orgánico. Además, se prepararon membranas de ósmosis directa (OD) con una alta eficiencia modificando la superficie de membranas comerciales mediante PI y se emplearon para tratar aguas residuales modelo por OD. Asimismo, se propuso la modificación superficial de membranas de ósmosis inversa (OI) desechadas de plantas de tratamiento de aguas industriales como una forma de reciclarlas y reutilizarlas en la tecnología de OD, extendiendo así su vida útil y contribuyendo a una economía circular.