Development of dual-layer membranes and recycling of reverse osmosis membrane modules for water treatment

Resumo

La escasez de agua potable es un problema mundial y las tecnologías de membrana, principalmente el proceso de separación ósmosis inversa (OI), están siendo aplicadas en todo el mundo para la producción de agua. El objetivo principal de esta tesis doctoral es doble. Por un lado se estudia el desarrollo de membranas poliméricas de doble capa aplicando diferentes técnicas de preparación de membranas, con el objeto de mejorar el rendimiento de procesos de separación por membranas de interés emergente como la pervaporación (PV) y la destilación en membrana (DM); y por otro lado se reciclan módulos de membranas de OI desechados con el objeto de alargar la vida útil de sus componentes mediante su adecuación y reutilización en otros procesos de membrana para el tratamiento de aguas, contribuyendo de esta manera en la economía circular de membranas y materiales relacionados. Primero, se propone el desarrollo de membranas de doble capa compuestas por soportes de fluoruro de polivinilideno (PVDF) electrohilados altamente porosos y una fina capa organofílica formada por el polímero de microporosidad intrínseca PIM-1, para su aplicación en la separación de n-butanol del agua por PV. En comparación con otras membranas, las desarrolladas en esta tesis exhiben unos flujos de permeado bastante altos con muy buenos factores de separación A continuación, se presenta un estudio experimental sobre el diseño de membranas de doble capa hidrófoba/hidrofílica compuestas por capas de fluoruro de polivinilideno (PVDF) y de polisulfona (PS) preparadas por electrohilatura para su aplicación en la desalación por destilación en membrana por contacto directo (DMCD). En comparación con las membranas de una sola capa preparadas con PVDF bajo el mismo tiempo de electrohilado y las mismas condiciones de operación DMCD, estas membranas de doble capa presentan mayores flujos de permeado con muy buenos factores de rechazo de sal, cloruro sódico, superiores al 99.99%. Aplicando los conocimientos adquiridos en el desarrollo de membranas de doble capa y como una nueva propuesta para la gestión de módulos de membranas de OI desechados, se propone el reciclado de componentes internos de estos módulos (membrana, espaciador del permeado y espaciador del alimento) para preparar membranas DM de doble capa hidrófoba/hidrofílicas. El reciclaje del espaciador del permeado o la membrana de OI, como soportes hidrofílicos de membranas de doble capa formadas por una capa hidrófoba electrohilada de PVDF, mejoran las propiedades mecánicas de este tipo de membranas y exhiben unos flujos de permeado DCMD similares a los obtenidos por otras membranas utilizadas en DCMD y con altos factores de rechazo de sal (superiores al 99%). El uso del espaciador del alimento reciclado como soporte resulta en una membrana DM de doble capa con bajos factores de rechazo de sal y por tanto inadecuado para formar membranas DM de doble capa. Otro intento de alto interés en la economía circular de membranas propuesto en esta tesis doctoral es el reciclaje de membranas de OI desechadas convirtiéndolas en membranas de ósmosis directa (OD) eliminando primero su capa selectiva de poliamida (PA) después de su limpieza y aplicando posteriormente la técnica de polimerización interfacial (PI) para formar una nueva capa selectiva de PA o de poliéster (PE). Después de aplicar un proceso pasivo de limpieza de la membrana OI desechada con hipoclorito de sodio de 106 ppm·h y su posterior modificación superficial por PI para formar una fina capa de PA, utilizando una mezcla de m-fenilendiamina (MPD) y trimetilamina (TEA) como disolución acuosa y cloruro de trimesoilo (TMC) como disolución orgánica, se obtiene una membrana transformada con un parámetro estructural adecuado para el proceso OD y unos rendimientos comparables o incluso superiores a los ofrecidos por las membranas OD comerciales CTA-HTI y TFC-HTI utilizadas en el tratamiento de aguas residuales modelo.