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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36612
ORCID: | http://orcid.org/0000-0003-0682-0475 |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Embargado |
Embargo Date: | 2024-12-15 |
Title: | Fabricação de fibras ocas a partir de diferentes materiais cerâmicos e aplicação no tratamento de águas oleosas |
Alternate title (s): | Fabrication of hollow fibers from different ceramic materials and application in the treatment of oily water |
Author: | Bessa, Lidiane Pereira |
First Advisor: | Reis, Miria Hespanhol Miranda |
First coorientator: | Cardoso, Vicelma Luiz |
First member of the Committee: | Macedo, Daniel Araújo de |
Second member of the Committee: | Ostroski, Indianara Conceição |
Third member of the Committee: | Assunção, Rosana Maria Nascimento de |
Fourth member of the Committee: | Oliveira, Thamayne Valadares de |
Summary: | A fabricação e aplicação de membranas cerâmicas do tipo fibra oca tem se destacado na literatura devido às suas vantagens em relação ao material e à geometria. Uma das dificuldades encontradas no uso generalizado das membranas cerâmicas está no elevado custo do material cerâmico e do processo de sinterização. Águas residuais oleosas são produzidas por diversos setores industriais e a tecnologia de separação por membranas tem sido considerada em vários estudos para separação de óleo e água, principalmente nos casos que existem emulsões com gotículas de óleo dispersas em água. O espinélio é um material cerâmico que apresenta características interessantes (alto ponto de fusão, resistência térmica e química, baixo coeficiente de expansão térmica) e que pode ser sintetizado por meio da reação entre alumina (Al2O3) e periclase (MgO) em altas temperaturas (> 1000 °C). A dolomita (CaMg(CO3)2) é um mineral abundante na natureza que, quando decomposto a altas temperaturas (~ 900 °C), produz MgO como subproduto. O carbeto de silício (SiC) é um material cerâmico hidrofílico que pode ser sugerido na fabricação de fibras ocas e aplicação na separação de águas residuais oleosas, porém requer sinterização a altas temperaturas (> 2000 °C) e em atmosfera inerte. Membranas cerâmicas do tipo fibra oca de espinélio foram preparadas com sucesso pelo método de inversão de fases seguido de sinterização a partir de diferentes composições de dolomita e alumina. As membranas produzidas com 25% em peso de dolomita e 75% em peso de alumina (Fibra-D25), e sinterizadas a 1350°C, apresentaram uma distribuição granulométrica assimétrica com tamanhos de poros variando de 0,16 a 5,29 µm, porosidade de 43% e resistência mecânica de 54,88 ± 4,25 MPa. A Fibra D-25 apresentou menor custo do que as fibras produzidas com alumina pura devido ao uso de menor quantidade de alumina na composição do material cerâmico, e contribuiu com um aumento de 49% na resistência mecânica das fibras ocas produzidas com alumina pura, devido à formação de espinélio em sua estrutura. Por fim, a Fibra D-25 apresentou taxa de rejeição de óleo de 94,5% em emulsão de óleo de soja e água. Além das fibras ocas de espinélio, este trabalho também avaliou o efeito da adição de silício (Si) como aditivo na fabricação de fibras ocas de carbeto de silício, produzidas pelo método de inversão de fases seguido de sinterização em atmosfera com ar. A adição de 30% em peso de Si no material cerâmico SiC promoveu a ligação das partículas de SiC e a formação de fibras ocas (HF-SiC70Si30) com resistência mecânica (42,25 ± 3,39 MPa) adequada para aplicação após sinterização em ar a 1350 °C. As fibras ocas assimétricas HF-SiC70Si30 apresentaram uma estrutura esponjosa e filamentosa com tamanhos médio de poros de 1,73 e 5,29 µm, respectivamente. A aplicação da fibra de carbeto de silício na separação emulsões oleosas apresentou taxa de rejeição de óleo de 98,75%. A formação de torta foi o principal fenômeno responsável pela incrustação da membrana, e a regeneração de 84% do fluxo da membrana foi verificada após limpeza com água sob irradiação de ultrassom. As fibras de carbeto de silício também foram avaliadas na separação de emulsões de óleo diesel e água, apresentando neste caso, taxas de rejeição acima de 83%. Assim, o uso de Si como auxiliar de sinterização foi favorável na fabricação de fibras ocas de SiC, permitindo a sinterização das fibras em temperaturas de 1350 °C e aplicação na separação de águas oleosas. Por fim, tem-se que o uso de materiais alternativos à alumina, como a dolomita e silício, é favorável para produção de membranas do tipo fibra oca com distribuição de poros assimétrica. Estas membranas apresentaram morfologia e resistências adequadas e com rejeição de óleo acima de 83%. |
Abstract: | The manufacture and application of ceramic membranes of the hollow fiber type has been highlighted in the literature due to the advantages in relation to the material and geometry. One of the concerns to the widespread use of ceramic membranes is the high cost of the ceramic material and the sintering process. Oily wastewater is produced by several industrial sectors and membrane separation technology has been considered in several studies for oil and water separation, especially in cases where there are emulsions with oil droplets dispersed in water. Spinel is a ceramic material that has interesting characteristics (high melting point, thermal and chemical resistance, low coefficient of thermal expansion) and that can be synthesized through the reaction between alumina (Al2O3) and periclase (MgO) at high temperatures (> 1000°C). Dolomite (CaMg(CO3)2) is an abundant mineral in nature that when decomposed at high temperatures (~900 °C) produces MgO as a by-product. Silicon carbide (SiC) is a hydrophilic ceramic material that can be suggested in the manufacture of hollow fibers and application in the separation of oily wastewater, but it requires sintering at high temperatures (> 2000 °C) and in an inert atmosphere. Spinel hollow fiber type ceramic membranes were successfully prepared by the phase inversion method followed by sintering from different compositions of dolomite and alumina. The membranes produced with 25% by weight of dolomite and 75% by weight of alumina (Fibra-D25), and sintered at 1350°C, showed an asymmetric granulometric distribution with pore sizes ranging from 0.16 to 5.29 µm, porosity 43% and mechanical strength of 54.88 ± 4.25 MPa. Fiber D-25 had a lower cost than fibers produced with pure alumina, due to the use of a smaller amount of alumina in the composition of the ceramic material and contributed with a 49% increase in the mechanical strength of hollow fibers produced with pure alumina, due to spinel formation in its structure. Finally, Fiber D-25 showed an oil rejection rate of 94.5% in soybean oil and water emulsion. In addition to spinel hollow fibers, this work also evaluated the effect of adding silicon (Si) as an additive in the manufacture of silicon carbide hollow fibers, produced by the phase inversion method followed by sintering in an atmosphere with air. The addition of 30% by weight of Si in the SiC ceramic material promoted the bonding of SiC particles and the formation of hollow fibers (HF-SiC70Si30) with mechanical strength (42.25 ± 3.39 MPa) suitable for application after sintering. in air at 1350°C. The HF-SiC70Si30 asymmetric hollow fibers showed a spongy and filamentous structure with average pore sizes of 1.73 and 5.29 µm, respectively. The application of silicon carbide fiber in the separation of oil emulsions showed an oil rejection rate of 98.75%. The cake formation was the main phenomenon responsible for the membrane fouling, and the regeneration of 84% of the membrane flux was verified after cleaning with water under ultrasound irradiation. The silicon carbide fibers were also evaluated in the separation of diesel oil and water emulsions, presenting in this case, rejection rates above 83%. Thus, the use of Si as a sintering aid was favorable in the manufacture of SiC hollow fibers, allowing the sintering of the fibers at temperatures of 1350 °C and application in the separation of oily waters. Finally, the use of alternative materials to alumina, such as dolomite and silicon, is favorable for to produce of hollow fiber membranes with asymmetric pore distribution. These membranes presented adequate morphology and resistance, with oil rejection above 83%. |
Keywords: | Fibras Ocas Espinélio Carbeto de Silício Processo de Separação Membranas Cerâmicas Separação de Emulsões Oleosas Hollow Fiber Silicon carbide Ceramic Mebranes Spinel Separation Processes Separation of oil emulsions |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INORGANICOS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::OLEOS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::TRATAMENTOS E APROVEITAMENTO DE REJEITOS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::CERAMICA |
Subject: | Engenharia química Material cerâmico Águas residuais - Análise Filtração por membranas |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | BESSA, Lidiane Pereira. Fabricação de fibras ocas a partir de diferentes materiais cerâmicos e aplicação no tratamento de águas oleosas. 2022. 156 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.309. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.309 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36612 |
Date of defense: | 24-Jun-2022 |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Química |
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