Photocatalytic GO - TiO₂ - Incorporated TFN Nanofiltration Membranes for Antibiotic Removal from Wastewater

Resumo Técnico: Membranas de Nanofiltração TFN Incorporadas com GO-TiO₂ Fotocatalíticas para Remoção de Antibióticos

Definição do Problema
A rápida proliferação de contaminantes emergentes, particularmente antibióticos como amoxicilina e ciprofloxacina, representa graves ameaças ambientais e à saúde devido à sua persistência e toxicidade. Os métodos convencionais de tratamento de águas residuais são frequentemente inadequados para a remoção desses compostos de baixo peso molecular. Embora as membranas de Nanofiltração (NF) ofereçam uma alternativa promissora para a remoção de micropoluentes, elas enfrentam limitações como baixa eficiência de rejeição para antibióticos pequenos e suscetibilidade ao colmatagem (fouling) por matéria orgânica natural e biofilmes. Além disso, as membranas de NF tradicionais carecem da capacidade de degradar poluentes, apenas transferindo-os para o fluxo de concentrado. Existe uma necessidade crítica de membranas que combinem alta eficiência de separação com a capacidade de degradar contaminantes in situ.

Metodologia
Este estudo visou desenvolver e otimizar uma nova membrana de nanofiltração de Nanocompósito de Filme Fino (TFN) incorporando Óxido de Grafeno (GO) e Dióxido de Titânio (TiO₂) na camada seletiva de poliamida. A pesquisa empregou uma abordagem sistemática de Design de Experimentos (DOE) utilizando a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) com um Design de Composto Central (CCD).

• Fabricação da Membrana: Uma camada de suporte de Polietersulfona (PES) foi preparada via inversão de fase. A camada seletiva foi formada através de polimerização interfacial usando m-fenilenodiamina (MPD) e cloreto de trimesoíla (TMC). Nanopartículas de GO e TiO₂ foram dispersas na fase aquosa antes da polimerização.
• Variáveis Experimentais: Três variáveis independentes foram rastreadas e otimizadas:
  1. Carga de nanomateriais (0,5 – 2,5 % em peso).
  2. Razão GO:TiO₂ (variando de 1:2 a 3:1).
  3. Tempo de reação de polimerização interfacial (30 – 70 min).
• Avaliação de Desempenho: Água residual sintética contendo 30 mg/L de amoxicilina e ciprofloxacina foi utilizada. O desempenho foi avaliado com base no fluxo de água, eficiência de rejeição de antibióticos e eficiência de degradação fotocatalítica sob irradiação UV.
• Caracterização: As membranas foram analisadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Microscopia de Força Atômica (AFM), Difração de Raios X (XRD), Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e medições de ângulo de contato para avaliar morfologia, rugosidade, estrutura cristalina, composição química e hidrofilicidade.

Principais Resultados
O estudo identificou as condições ideais de síntese que equilibraram o desempenho de filtração com a atividade fotocatalítica:

• Condições Ótimas: Uma carga de nanomaterial de 1,5 % em peso, uma razão GO:TiO₂ de 2:1 e um tempo de reação de polimerização interfacial de 50 minutos.
• Eficiência de Rejeição: Sob condições ótimas, a membrana alcançou taxas de rejeição de 96% para amoxicilina e 94% para ciprofloxacina.
• Fluxo de Água: A membrana otimizada exibiu um fluxo de água de 47 L m⁻² h⁻¹, indicando que a incorporação de nanomateriais não comprometeu a permeabilidade.
• Degradação Fotocatalítica: A membrana demonstrou uma eficiência de degradação fotocatalítica de 83% para os antibióticos alvo.
• Propriedades do Material:
  • Morfologia: SEM e AFM revelaram uma estrutura de superfície "crista e vale" mais rugosa (rugosidade ~56 nm) em comparação com as membranas puras, o que aumentou a área superficial efetiva.
  • Hidrofilicidade: O ângulo de contato diminuiu para 52°, atribuído aos grupos funcionais contendo oxigênio do GO e TiO₂, aumentando o fluxo de água e reduzindo o fouling.
  • Estrutura: O XRD confirmou a presença da fase anatase do TiO₂ e do óxido de grafeno dentro da matriz da membrana. O FTIR verificou a formação da camada de poliamida e a presença de grupos carboxila e hidroxila.
  • Carga Superficial: O Ponto de Carga Zero (PZC) foi determinado como 5,6, garantindo que a superfície da membrana permaneça carregada negativamente em pH neutro (6–8), facilitando a repulsão eletrostática de poluentes.

Principais Contribuições e Significância
Os autores afirmam que esta pesquisa traz várias contribuições distintas para o campo da tecnologia de membranas:

1. Avaliação Simultânea: Ao contrário de estudos anteriores que focavam apenas na rejeição de contaminantes, este trabalho avalia simultaneamente o desempenho padrão de nanofiltração e a degradação fotocatalítica in-situ de antibióticos.
2. Elo Estrutura-Desempenho: O estudo estabelece um elo entre as propriedades estruturais da membrana (incorporação de GO-TiO₂) e seu duplo desempenho (filtração e degradação), uma relação observada como ausente na literatura em relação às membranas TFN.
3. Otimização Sistemática: Esta pesquisa fornece a primeira otimização sistemática de DOE-RSM especificamente para membranas de nanofiltração TFN incorporadas com GO e TiO₂, identificando as razões sinérgicas precisas e os tempos de reação necessários para a máxima eficiência.
4. Novidade: O trabalho apresenta uma abordagem inovadora para lidar com águas residuais contaminadas por antibióticos, integrando um mecanismo de degradação fotocatalítica diretamente na membrana de filtração, oferecendo uma solução potencial para as limitações das tecnologias de separação convencional.

O artigo conclui que a funcionalização de membranas de nanofiltração com nanomateriais GO-TiO₂ aumenta significativamente tanto a eficiência de degradação quanto a de filtração, oferecendo uma estratégia promissora para o tratamento de águas residuais com alto teor de antibióticos.