Navegando no mundo dos filtros de membrana: Tipos, usos e benefícios (Ⅱ)

Prefácio: Na parte anterior deste artigo, Navegando no Mundo dos Filtros de Membrana: Types, Uses, and Benefits (1), discutimos uma visão geral das membranas de filtragem e apresentamos os dois tipos mais comuns de membranas de filtragem, as membranas de filtragem poliméricas, incluindo polietersulfona (PES) e fluoreto de polivinilideno (PVDF), e as membranas de filtragem de cerâmica, e descrevemos sua preparação e aplicações. Também apresentamos sua preparação e aplicações. A Stanford Advanced Materials (SAM) continuará apresentando a você outros tipos de membranas.

5 Membranas nanoestruturadas

5.1 Membranas de nanotubos de dióxido de titânio (TiO2)

5.1.1 O que são membranas de nanotubos de dióxido de titânio (TiO2)?

Desde a descoberta dos nanotubos de carbono em 1991, os nanomateriais de estrutura tubular têm atraído muita atenção devido às suas propriedades físico-químicas exclusivas e aplicações promissoras em microeletrônica, catálise aplicada, conversão fotovoltaica, etc. O TiO2, com suas vantagens de boa absorção ultravioleta, alta constante dielétrica e propriedades químicas estáveis, é amplamente utilizado nas áreas de fotocatálise, revestimentos de células solares, anticorrosão, purificação do ar, tratamento de águas residuais e outras áreas. Em geral, os nanotubos de dióxido de titânio têm um diâmetro de alguns a dezenas de nanômetros, enquanto o comprimento pode variar de algumas centenas de nanômetros a vários micrômetros. Esse tamanho em nanoescala permite que os nanotubos de dióxido de titânio tenham uma alta área de superfície específica, alta capacidade de bateria e propriedades fotovoltaicas especiais, o que faz com que as membranas de nanotubos de dióxido de titânio tenham uma ampla gama de aplicações em fotocatálise, preparação de dispositivos fotovoltaicos, preparação de sensores e as áreas de reação relacionadas resultantes, como purificação e tratamento de água e ar.

Fig. 6 Microestrutura dos nanotubos de dióxido de titânio

5.1.2 Métodos de síntese para membranas de nanotubos de dióxido de titânio (TiO2)

Os métodos comuns de preparação de filmes finos de nanotubos de TiO2 incluem o método de solução, o método de deposição em fase de vapor e o método eletroquímico, entre os quais o método de solução é o mais comumente usado devido às vantagens de um processo simples e barato, além da capacidade de controlar melhor a morfologia do tamanho.

O método de solução é baseado em precursores de TiO2 em solução e, sob condições específicas (por exemplo, temperatura, pH, solvente etc.), os filmes de nanotubos de TiO2 são formados pelo controle dos processos de precipitação, dissolução e crescimento de cristais. As vantagens do método de solução para a preparação de filmes de nanotubos de TiO2 incluem a simplicidade da preparação, o custo mais baixo e a adequação para a preparação de grandes áreas.

A deposição em fase de vapor é um método que utiliza precursores de TiO2 na fase gasosa para formar filmes finos, depositando-os na superfície de um substrato em um ambiente de alta temperatura. Esse método inclui os tipos de deposição de vapor químico (CVD) e deposição de vapor físico (PVD). No método CVD, um filme de TiO2 é formado pela alimentação de um composto precursor gasoso em uma câmara de reação, decompondo-o e depositando-o na superfície do substrato em altas temperaturas. No método PVD, um processo físico (por exemplo, pulverização catódica, evaporação) é utilizado para converter o material de origem de TiO2 sólido em um estado gasoso, que é então depositado na superfície do substrato. As vantagens do método de deposição de vapor para a preparação de filmes de nanotubos de TiO2 incluem menos impurezas produzidas durante o processo de preparação e maior qualidade do filme.

Os métodos eletroquímicos utilizam reações eletroquímicas para depositar nanotubos de TiO2 na superfície do eletrodo. Um método eletroquímico comum é a anodização, na qual uma camada de óxido é formada na superfície de um substrato por meio da aplicação de uma tensão em um eletrólito específico, e essa camada de óxido é então usada como modelo para o crescimento de nanotubos de TiO2 sob condições específicas. As vantagens da preparação eletroquímica de filmes de nanotubos de TiO2 incluem a simplicidade do processo de preparação, a facilidade de manuseio e o fato de poder ser realizada em temperatura ambiente.

5.1.3 Como são usadas as membranas de nanotubos de dióxido de titânio (TiO2)?

1. Tratamento de água: As membranas de nanotubos de dióxido de titânio podem ser usadas no tratamento de água para remoção de micropoluentes e melhoria da qualidade da água. Sua alta área de superfície específica e suas propriedades fotocatalíticas permitem a adsorção e a degradação eficazes de poluentes, como matéria orgânica, íons de metais pesados e microrganismos na água, além da purificação e desinfecção da água. Por exemplo, a combinação da membrana de nanotubos de dióxido de titânio com a tecnologia fotocatalítica pode ser estimulada a produzir espécies ativas de oxigênio por meio da irradiação de luz ultravioleta, para remover poluentes orgânicos e bactérias da água.

2. Purificação do ar: As membranas de nanotubos de dióxido de titânio também podem ser usadas para a purificação do ar, removendo orgânicos transportados pelo ar, VOCs (compostos orgânicos voláteis), formaldeído e outros gases nocivos. Semelhante às aplicações no tratamento de água, as propriedades fotocatalíticas das membranas de nanotubos de dióxido de titânio podem ser utilizadas para irradiar luz ultravioleta sobre a membrana para promover a degradação e a remoção de gases nocivos.

3. Filtragem de material particulado: Embora as membranas de nanotubos de dióxido de titânio sejam principalmente fotocatalíticas, sua estrutura tubular em nanoescala também as torna capazes de filtrar material particulado até certo ponto. Embora esse desempenho de filtragem possa não ser tão eficiente quanto o de outros materiais de filtragem, ele ainda tem um certo efeito de filtragem em cenários de aplicação específicos e pode ser usado como uma camada de filtragem adicional.

5.2 Membranas de óxido de grafeno (GO)

5.2.1 Introdução às membranas de óxido de grafeno (GO)

O óxido de grafeno (GO) é um óxido de grafeno, que é mais ativo do que o grafeno devido ao aumento dos grupos funcionais que contêm oxigênio no grafeno após a oxidação e pode melhorar suas propriedades por meio de várias reações com grupos funcionais que contêm oxigênio. Os flocos de óxido de grafeno são o produto da oxidação química e da esfoliação do pó de grafite. O óxido de grafeno é uma camada atômica única, que pode ser prontamente expandida para dezenas de micrômetros de tamanho lateral. Dessa forma, sua estrutura abrange escalas típicas da química geral e da ciência dos materiais. O óxido de grafeno pode ser considerado um tipo não tradicional de material macio com propriedades de polímeros, coloides, filmes finos e moléculas anfifílicas.

O óxido de grafeno tem uma grande quantidade de conteúdo de oxigênio (por exemplo, grupos hidroxila, grupos carboxila etc.), que forma defeitos e grupos funcionais entre as camadas de grafeno, levando à formação de estruturas microporosas nas lacunas entre as camadas. Essas estruturas microporosas conferem às membranas de filtro de óxido de grafeno um alto grau de área de superfície e permeabilidade. Essas estruturas microporosas podem ser usadas tanto para filtrações físicas, ou seja, bloqueando seletivamente ou permitindo a passagem de moléculas em líquidos ou gases de acordo com o tamanho dos microporos, quanto para a remoção de sólidos suspensos, solutos, microrganismos e assim por diante. Os grupos funcionais na superfície da membrana de filtragem de óxido de grafeno também podem se quimisorbitar com moléculas de soluto, de modo que as moléculas de soluto sejam adsorvidas ou fixadas na superfície da membrana de filtragem, removendo, assim, matéria orgânica, íons de metais pesados e outros poluentes no líquido ou gás. Ao mesmo tempo, os grupos funcionais na superfície da membrana de filtragem de óxido de grafeno podem ser carregados positiva ou negativamente, e esses efeitos de carga podem afetar a adsorção e a distribuição das moléculas de soluto na superfície da membrana de filtragem, realizando assim a filtragem seletiva de solutos específicos.

Além disso, algumas membranas de filtragem de óxido de grafeno têm atividade fotocatalítica, ou seja, quando expostas à luz, o óxido de grafeno na superfície pode gerar espécies reativas de oxigênio, como radicais hidroxila e íons superóxido, etc., que podem oxidar e degradar a matéria orgânica, realizando assim a degradação e a remoção de poluentes orgânicos na água.

Fig. 7 Estrutura do óxido de grafeno (GO)

5.2.2 Diferentes métodos de preparação de membranas de óxido de grafeno (GO)

O óxido de grafeno é obtido por meio da reação de oxidação do grafeno. Em geral, há dois métodos: o método Hummers e o método Brodie.

1. Método Hummers: O grafeno é misturado com ácido sulfúrico concentrado e agitado para fazer contato total; em seguida, o ácido nítrico é adicionado e a reação é agitada abaixo de 5°C, após o que o peróxido de hidrogênio resfriado é adicionado à reação, e uma grande quantidade de água é adicionada para diluir a solução de reação no final da reação, e o óxido de grafeno é obtido por filtração, lavagem, secagem e outras etapas.

Fig. 8 Preparação de óxido de grafeno pelo método Hummers

2. Método de Brodie: pó de grafite e ácido nítrico concentrado misturados, com agitação e adição de ácido sulfúrico frio, a oxidação do ácido nítrico da reação de grafite produz NO2, após o término da reação, adicione uma grande quantidade de água para diluir a solução da reação, após filtração, lavagem, secagem e outras etapas para obter óxido de grafeno.

O óxido de grafeno é geralmente transformado em filmes finos pelo método de revestimento, método de deposição de vapor químico e método hidrotérmico.

1. Método de revestimento: as etapas são relativamente simples, o pó de óxido de grafeno é adicionado à quantidade adequada de solvente e agitado uniformemente para torná-lo disperso, a solução é revestida uniformemente no substrato para secá-lo e, em seguida, repetir as etapas acima até que a espessura seja adequada.

2. Deposição química de vapor (CVD): O pó de óxido de grafeno é colocado em um forno de alta temperatura e aquecido a mais de 700°C. Um ou mais gases contendo fontes de carbono (como metano, etileno etc.) fluem para a câmara de reação, e os gases da fonte de carbono se decompõem em altas temperaturas para formar grafeno, que reage com os óxidos na superfície do óxido de grafeno para gerar filmes de óxido de grafeno.

3. Método hidrotérmico: em comparação com o método de deposição de vapor químico, a temperatura de reação necessária é mais baixa, o pó de óxido de grafeno é adicionado à quantidade adequada de solvente, aquecido à temperatura adequada e, em seguida, o agente redutor (como hidrogênio, amônia etc.) é adicionado ao sistema de reação, e o agente redutor nas condições hidrotérmicas para reduzir o óxido de grafeno e obter o filme.

5.2.3 Vários cenários de aplicação de membranas de óxido de grafeno (GO)

1. Tratamento de água e purificação do ar: a membrana de óxido de grafeno pode não apenas realizar a filtragem convencional, mas sua seletividade molecular possibilita a dessalinização, a separação óleo-água, etc. Enquanto isso, sua estrutura microporosa e seus componentes oxidados também podem remover matéria orgânica, bem como íons de metais pesados, etc., removendo efetivamente partículas, solutos e poluentes.

2. Separação molecular: a estrutura microporosa da membrana de filtragem de óxido de grafeno pode regular a permeabilidade e a separação seletiva de moléculas, de modo que ela tem valor potencial de aplicação na separação de gases, separação de solventes, triagem molecular e assim por diante. Por exemplo, uma membrana de filtração de óxido de grafeno pode ser usada para realizar a captura de CO2, a separação de gás e a purificação orgânica.

3. Biomedicina: A membrana de filtragem de óxido de grafeno tem boa biocompatibilidade e biossorção, por isso é usada nos campos de biossensoriamento, bioseparação e bioanálise. Por exemplo, as membranas de filtragem de óxido de grafeno podem ser usadas para cultura de células, separação de proteínas e captura de DNA.

4. Energia: As membranas de filtração de óxido de grafeno são usadas em dispositivos como baterias, supercapacitores e células de combustível no setor de energia como membranas de transporte de íons e membranas de eletrólitos para melhorar o desempenho e a estabilidade dos dispositivos.

5.3 Membrana de nanotubo de carbono (CNT)

5.3.1 Propriedades da membrana de nanotubos de carbono (CNT)

O nanotubo de carbono (CNT) é um tubo oco sem costura formado por flocos de grafite enrolados. Os átomos de carbono nos nanotubos de carbono são hibridizados e ligados de forma sp2, com um anel de seis membros como unidade estrutural básica, o que confere aos nanotubos de carbono um alto módulo de Young e os torna um material com alta resistência à fratura que não é facilmente danificado em situações de flexão. Os filmes de nanotubos de carbono são estruturas bidimensionais de rede de nanotubos de carbono formadas por nanotubos de carbono individuais preenchidos física ou quimicamente com matrizes de nanotubos de carbono livremente dispostos, com propriedades relacionadas à conformação, orientação, grau de defeitos e relação entre comprimento e diâmetro dos nanotubos de carbono. As membranas de nanotubos de carbono têm uma estrutura de poros altamente nanométrica e uma grande área de superfície específica, fazendo com que a membrana do filtro tenha uma grande área de superfície, o que favorece a adsorção e a separação de solutos. Sua estrutura de poros tem dimensões em nanoescala, o que a torna eficaz no bloqueio de solutos, como partículas, moléculas orgânicas etc. Apesar da estrutura de poros em nanoescala, as membranas de filtragem de nanotubos de carbono têm alta permeabilidade, o que facilita a passagem rápida de solutos e reduz a resistência à filtragem. Os nanotubos de carbono têm boa estabilidade química, alta resistência mecânica e flexibilidade e podem se adaptar à maioria dos ambientes para manter suas propriedades estruturais estáveis. Há várias maneiras de preparar membranas de filtragem de nanotubos de carbono, que podem ser realizadas ajustando-se a estrutura, a densidade, o número de camadas e outros parâmetros dos nanotubos de carbono para regular o desempenho das membranas de filtragem e atender às necessidades de diferentes cenários de aplicação.

Fig. 9 Estrutura esquemática de diferentes formas de monômeros de carbono

5.3.2 Abordagens de síntese para membranas de filtragem de nanotubos de carbono

1. Deposição química de vapor (CVD): Os gases de origem de carbono normalmente usados incluem hidrocarbonetos, como etileno e metano, enquanto catalisadores metálicos, como ferro, níquel, cobalto, etc., são normalmente escolhidos para o catalisador. O substrato a ser depositado (por exemplo, pastilha de silício, pastilha de vidro etc.) é colocado em uma câmara de reação para garantir que a superfície do substrato esteja limpa e plana. A câmara de reação é aquecida a uma temperatura adequada e, em seguida, extraída a um determinado nível de vácuo para garantir a pureza e a estabilidade dos gases durante o processo de reação. O gás de fonte de carbono e o gás catalisador são introduzidos na câmara de reação por meio de um sistema de fornecimento de gás para controlar a taxa de fluxo de gás e o volume de fluxo. O gás de origem do carbono se dissocia na superfície do catalisador para gerar átomos de carbono, que são posteriormente depositados na superfície do substrato para formar nanotubos de carbono. O tempo de crescimento dos nanotubos de carbono é controlado, geralmente variando de minutos a horas, para controlar o comprimento e a densidade dos nanotubos. O crescimento prolongado resulta em nanotubos de carbono mais longos e mais densos. Ao final do crescimento, o fornecimento de gás catalisador e fonte de carbono é interrompido e a câmara de reação é resfriada à temperatura ambiente. No final da reação, o gás residual na câmara de reação é removido com o fornecimento de um gás inerte, como nitrogênio ou argônio.

2. Método de revestimento: A suspensão de nanotubos de carbono é revestida na superfície do substrato por meio de spin-coating, pulverização, escovação ou laminação. Durante o processo de revestimento, parâmetros como a velocidade de revestimento e a velocidade de rotação do cabeçote de revestimento podem ser controlados para controlar a espessura e a uniformidade do filme. Após o revestimento, o revestimento é colocado em uma área ventilada ou em uma bancada aquecida para induzir a evaporação do solvente. Depois que o solvente tiver evaporado completamente, a secagem é realizada para formar um filme uniforme de nanotubos de carbono. Opcionalmente, o filme de nanotubos de carbono é tratado termicamente para melhorar a cristalinidade e as propriedades mecânicas do filme. As condições do tratamento térmico podem ser ajustadas conforme necessário e, em geral, são realizadas em uma atmosfera de gás inerte.

3. Filtragem: Os materiais de membrana de filtro comumente usados incluem membranas de policarbonato (PC), poliéster (PET) e poliamida (Nylon), enquanto o tamanho do poro é geralmente selecionado com base na espessura e na permeabilidade desejadas do filme. A suspensão de nanotubos de carbono é filtrada na membrana do filtro por vácuo ou pressão. As operações de filtragem podem ser realizadas usando equipamentos como funis de filtragem a vácuo ou filtros de membrana.

4. Método de decapagem: os métodos comuns de decapagem incluem a decapagem mecânica, em que a película de nanotubos de carbono é removida diretamente do substrato usando ferramentas de decapagem (por exemplo, fitas, raspadores etc.), fitas, raspadores etc.); decapagem química, em que o filme de nanotubos de carbono crescido é colocado em um solvente ou solução apropriada, de modo que a ligação entre o filme e o substrato seja danificada para realizar a decapagem; e decapagem térmica, em que o substrato ou o filme é aquecido para expandi-lo ou contraí-lo termicamente, destruindo a ligação entre o substrato e o filme para realizar a decapagem; e decapagem térmica, em que o substrato ou o filme é aquecido para expandi-lo ou contraí-lo termicamente, destruindo a ligação entre o substrato e o filme para realizar a decapagem. A decapagem térmica é a técnica que consiste em aquecer o substrato ou o filme, fazendo com que ele se expanda e se contraia termicamente, quebrando assim a ligação entre o substrato e o filme.

5.3.3 Utilização de membranas de nanotubos de carbono (CNT)

Uma aplicação exclusiva dos nanotubos de carbono, além das aplicações funcionais semelhantes a outros tipos de membranas de filtragem, é seu uso como membranas de osmose reversa. A membrana de osmose reversa é uma tecnologia de separação por membrana capaz de separar impurezas, íons, microrganismos etc. da água, que é amplamente utilizada nas áreas de água potável, tratamento de águas residuais industriais e dessalinização da água do mar. No entanto, a membrana de osmose reversa tem o problema de baixo fluxo e baixa eficiência de processamento. Para resolver esse problema, os pesquisadores introduziram nanotubos de carbono nas membranas de osmose reversa. Os nanotubos de carbono têm excelentes propriedades, como alta área de superfície específica, alta resistência, alta condutividade, etc., que podem formar um tipo de canal condutor de prótons na membrana de osmose reversa e aumentar o fluxo. Ao mesmo tempo, os nanotubos de carbono também podem adsorver íons, microorganismos e outras impurezas na água, o que pode melhorar efetivamente a eficiência da purificação da água e a vida útil da membrana de osmose reversa. Atualmente, a membrana de osmose reversa baseada em nanotubos de carbono foi colocada em uso comercial no campo da água potável, da dessalinização da água do mar e em outras áreas, obtendo resultados significativos. No futuro, a tecnologia de pesquisa e preparação de materiais de nanotubos de carbono será mais desenvolvida, e o fluxo e a eficiência de processamento das membranas de osmose reversa serão continuamente aprimorados.

Tabela 2: Comparação das propriedades dos nanotubos de TiO2, GO e CNT

6 Membranas baseadas em estruturas orgânicas metálicas (MOF)

6.1 O que são membranas MOF

A estrutura orgânica metálica (MOF) é uma classe de materiais porosos cristalinos com estrutura de rede periódica formada pela interconexão de centros metálicos inorgânicos e ligantes orgânicos em ponte por meio de automontagem. O MOF é um material híbrido orgânico-inorgânico, também conhecido como polímero de coordenação, que possui a rigidez dos materiais inorgânicos e a flexibilidade dos materiais orgânicos. Ele tem a rigidez dos materiais inorgânicos e a flexibilidade dos materiais orgânicos. O esqueleto metal-orgânico é um polímero de coordenação formado pela automontagem de ligantes orgânicos polidentados contendo oxigênio, nitrogênio, etc., e íons de metais de transição, o que é diferente dos materiais porosos inorgânicos e dos complexos orgânicos gerais. As estruturas do tipo backbone em diferentes dimensões são determinadas principalmente pelas interações de coordenação entre os ligantes orgânicos e os íons metálicos, bem como pela ligação de hidrogênio. Os reagentes residuais e as pequenas moléculas de solvente durante o processo de síntese ocuparão os poros da estrutura do esqueleto, enquanto a remoção de pequenas moléculas por tratamento de ativação pode deixar uma estrutura de poros persistente. Além disso, o tamanho e a estrutura dos poros podem ser alterados pela estrutura dos ligantes orgânicos e pelo tipo de íons metálicos nas matérias-primas sintetizadas para controlar a área de superfície específica e a porosidade para atender a diferentes aplicações. Atualmente, os materiais de esqueleto metal-orgânico usados junto com ligantes neutros orgânicos heterocíclicos contendo nitrogênio ou principalmente com ligantes aniônicos orgânicos contendo carboxila podem ser sintetizados em grandes quantidades, o que mostra um grande potencial de desenvolvimento e aplicação na pesquisa de materiais modernos.

6.2 Como produzir membranas de MOF

1. Método de síntese in situ: de acordo com as propriedades especiais da superfície do próprio transportador, o transportador é colocado diretamente no sistema de síntese e, sob certas condições, a superfície do transportador e a noite de formação do filme entram em contato direto e, assim, reagem para preparar uma membrana contínua. O método de síntese in-situ é simples e fácil de operar, fácil de realizar a produção em larga escala, mas é difícil preparar uma membrana MOF contínua, porque as propriedades químicas entre os materiais MOF e os portadores são mais diferentes, a taxa de nucleação de cristais é reduzida, resultando em baixa densidade de nucleação heterogênea de cristais MOF na superfície do portador e ligação deficiente entre a membrana e o portador.

2. Método de crescimento secundário da semente de cristal: primeiro use o método hidrotérmico para fazer a semente de cristal crescer no substrato e, em seguida, após o processo de nucleação de cristal, o crescimento da camada de membrana, o crescimento secundário do material para a membrana densa. Por fim, as espécies de cristais da superfície do substrato poroso após a alta temperatura, a reação de condensação entre os grupos e os grãos de zeólita se combinam para formar ligações covalentes. No entanto, o método é um pouco limitado porque a membrana do filtro não resiste a altas temperaturas.

Fig. 10 Síntese esquemática de um filme de MOF: Filme PSS@ZIF-8

6.3 Como as membranas de MOF são usadas

Além das aplicações funcionais semelhantes a outros tipos de membranas de filtragem, as membranas de MOF podem ser aplicadas ao tratamento de íons de metais pesados. As membranas de MOF têm uma estrutura porosa altamente ordenada formada por íons metálicos e ligantes orgânicos por meio da ligação química do ligante. Essa estrutura porosa tem um diâmetro e um tamanho de poro ajustáveis, proporcionando muitos locais e canais de adsorção, que são favoráveis à adsorção e à incorporação de íons de metais pesados. Isso permite que os filmes MOF sejam usados no campo do tratamento de água, como a remoção de poluentes de íons de metais pesados, como chumbo, cádmio e mercúrio, de águas subterrâneas, águas residuais industriais e águas residuais municipais. Os tamanhos de poros altamente controláveis e a funcionalização da superfície dos filmes de MOF permitem a adsorção eficiente e a separação seletiva de íons de metais pesados específicos. Ele também desempenha um papel no tratamento de adsorção e recuperação para processos de remediação ambiental e tratamento de águas residuais. Os filmes de MOF podem realizar a captura e a recuperação eficientes de metais-alvo durante a adsorção de íons de metais pesados. Por meio de métodos adequados de pós-tratamento, os íons de metais pesados adsorvidos podem ser dessorvidos do filme de MOF, possibilitando a recuperação e a reutilização eficazes dos recursos metálicos.

7 Membrana de filtro composto

As membranas filtrantes compostas são diferentes das membranas filtrantes tradicionais de material único, pois combinam dois ou mais materiais para aproveitar ao máximo seus respectivos pontos fortes e compensar as deficiências de cada um, obtendo assim uma filtragem mais eficiente e confiável. Esses materiais podem incluir polímeros, cerâmicas, metais, nanomateriais, etc. Cada material tem propriedades físicas, químicas e mecânicas exclusivas e pode ser combinado de forma flexível de acordo com diferentes requisitos de filtragem.

Nas baterias de íon-lítio, uma membrana composta de PVDF-MOF com uma camada contínua de MOF serve como um diafragma de alto desempenho. A estrutura uniforme de poros e os canais subnano com sítios metálicos abertos conectados na camada contínua de MOF podem gerar um fluxo de Li+ uniformemente distribuído, inibir a formação de saliências dendríticas e melhorar o desempenho eletroquímico.

Fig. 11 Separador composto de PVDF-MOF com camada contínua de MOF [5]

No campo da dessalinização da água do mar, a destilação por membrana (MD) surgiu como uma estratégia alternativa de dessalinização da água do mar que pode reduzir amplamente os custos de capital e o consumo de energia. No processo de MD, quase 100% dos não voláteis são removidos e não há limitação na concentração da água de alimentação, enquanto o processo de osmose reversa (OR) acionado por pressão tem menos potencial para tratar soluções de alta salinidade com baixa recuperação de água. Os componentes voláteis são separados da mistura de alimentação por meio de uma membrana hidrofóbica microporosa, e o sistema opera abaixo do ponto de ebulição do líquido de alimentação. Para aplicações de MD, os materiais poliméricos com baixa energia de superfície, alta estabilidade térmica, estabilidade química e inércia são geralmente preferidos. O politetrafluoroetileno (PTFE) e o fluoreto de polivinilideno (PVDF) são considerados os principais materiais de membrana disponíveis comercialmente para a destilação por membrana a vácuo (VMD) devido à sua alta estabilidade térmica e hidrofobicidade. O PVDF e o PTFE são os polímeros ideais para aplicações de VMD devido à sua excelente resistência química e durabilidade. Essas propriedades permitem que o PVDF resista aos ambientes químicos agressivos frequentemente encontrados nos sistemas VMD, garantindo confiabilidade operacional de longo prazo. O PTFE, por outro lado, desempenha um papel fundamental com suas propriedades antiaderentes e excelente resistência a altas temperaturas. No VMD, o PTFE ajuda a melhorar o desempenho da membrana e evita efetivamente a formação de incrustações, garantindo, assim, o transporte desobstruído e eficiente de vapor pela membrana durante a destilação. Em aplicações de VMD, o uso sinérgico de PVDF e PTFE melhora a durabilidade, a resistência química e a eficiência operacional de todo o sistema de membrana.

Fig. 12 Fluxograma da preparação da membrana composta microporosa de PVDF-PTFE [6]

8 Conclusão

As membranas de filtro feitas de diferentes materiais são usadas em diferentes campos devido às suas diferentes características e podem ser selecionadas de acordo com diferentes necessidades, além do processo básico de filtragem. A Stanford Advanced Materials (SAM) pode não apenas fornecer uma ampla gama de produtos de membrana de filtragem, mas também prestar consultoria profissional de seleção, que pode ser consultada imediatamente.

Leitura relacionada:

Estudo de caso: Filtros de membrana

Referências:

[1] Khayet M ,Feng C ,Khulbe K , et al. Preparação e caracterização de membranas de fibra oca de fluoreto de polivinilideno para ultrafiltração [J]. Polymer,2002,43(14).

[Li M, Cheng S, Zhang J, et al. Membranas compostas à base de poli(fluoreto de vinilideno) com camada contínua de estrutura metal-orgânica para separadores de alto desempenho de baterias de íons de lítio. Chemical Engineering Journal,2024,487.

[3] Hu W, Zhang F, Tan X, et al. Antibacterial PVDF Coral-Like Hierarchical Structure Composite Film Fabrication for Self-Cleaning and Radiative Cooling Effect [J]. ACS applied materials & interfaces,2024.

[4] Wei Y, Li K, Li P, et al. Filtragem aprimorada de membranas cerâmicas por pré-oxidação de PS com catalisador FeSO4 assistido por CuO para remoção de NOM no tratamento de água potável [J]. Separation and Purification Technology,2024,345.

[5] Membranas cerâmicas e sua aplicação no processamento de alimentos e bebidas [J]. Filtration and Separation,2000,37(3).

[6] Mala M M ,S. S ,S. F , et al. Sea and brackish water desalination through a novel PVDF-PTFE composite hydrophobic membrane by vacuum membrane distillation[J]. Discover Chemical Engineering,2024,4(1).