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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-5949-5405
Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2025-06-30
Title: Produção de membranas de troca iônica para células de eletrodiálise
Alternate title (s): Production of ion exchange membranes for electrodialysis cells
Author: Rodrigues, Marilia Silva
First Advisor: Resende, Miriam Maria de
First coorientator: Cardoso, Vicelma Luiz
First member of the Committee: Aguiar, Monica Lopes
Second member of the Committee: Borges, Simone Pereira Taguchi
Third member of the Committee: Assunção, Rosana Maria Nascimento de
Fourth member of the Committee: Vieira, Rafael Bruno
Fifth member of the Committee: Reis, Miria Hespanhol Miranda
Summary: As membranas de troca iônica são muito utilizadas em processos de separação de soluções, principalmente para aplicação de remoção de metais pesados e no tratamento de efluentes contaminados. O objetivo do presente estudo consistiu na produção e caracterização de membranas heterogêneas de troca iônica utilizando a técnica de inversão de fases. Foram produzidas membranas das matrizes poliméricas de polissulfona e polietersulfona com incorporação das resinas Duolite AP143/1083 e Amberlit IRP69 nas membranas de troca aniônica e catiônica, respectivamente, na proporção de 5% (m/m). Foi objeto de estudo também a incorporação de 2,5% e 5,0% (m/m) de óxido de grafeno (OG) concomitante às resinas. As membranas foram caracterizadas quanto à permeabilidade, estrutura e morfologia da seção transversal, resistência mecânica e capacidade de troca iônica. As membranas de polissulfona com adição de resina aniônica e 2,5% de OG apresentaram permeabilidade de 59,5 L h-1 m-2, já as membranas de polietersulfona aniônica e catiônica, com as mesmas condições, 20,81 e 16,03 L h-1m-2, respectivamente. O índice de troca iônica das membranas de polissulfona e polietersulfona pura foi de 0,26 e 0,23 mm g-1, apresentando aumento com a adição das resinas e do OG, atingindo 1,08 mm g-1 nas membranas de polietersulfona aniônica com 2,5% de OG. As membranas produzidas foram testadas em célula de eletrodiálise para remoção de íons de manganês, apresentando remoção de íons de Mn+2 superiores a 90% da solução diluída com a utilização de membranas de polissulfona com óxido de grafeno antes e depois da limpeza. Para as membranas de polietersulfona, os percentuais de remoção dos íons de Mn+2 superaram 94% para as membranas de troca iônica e 95% para as condições com óxido de grafeno, mesmo após a regeneração das membranas. As membranas foram regeneradas com soluções de NaCl e HCl 0,1 M e novamente aplicadas no processo de eletrodiálise com índices de remoção acima de 90% para membranas regeneradas com adição de óxido de grafeno. Foi realizado um estudo de aplicabilidade desse processo de eletrodiálise com as membranas produzidas na remoção de íons de metais de duas amostras de água coletadas, uma no Rio Gualaxo do Norte e outra no Rio Doce, ambos afetados pelo rompimento da barragem de Fundão em Mariana – MG. As amostras coletadas foram caracterizadas quanto a presença de sólidos suspensos com valores de 0,23 e 0,13 g L-1, no Rio Gualaxo do Norte e Rio Doce, respectivamente, concentração de íons metálicos (0,67 e 0,42 g L-1/ Cr+6; 239,18 e 83,96 mg L-1/Fe+2; 12,39 e 2,39 mg L-1/Mn+2 do Rio Gualaxo do Norte e Rio Doce, respectivamente). A aplicação das amostras coletadas nos rios na célula de eletrodiálise com membranas de polietersulfona com adição de 2,5% de óxido de grafeno apresentou índices de remoção de cromo, ferro e manganês de 72,8%, 91,3% e 85,7%, respectivamente. A adição de óxido de grafeno mostrou-se promissora para produção de membranas heterogêneas de troca iônica apresentando potencial para aplicação de remoção de íons metálicos em diferentes efluentes contaminados.
Abstract: Ion exchange membranes are widely used in solution separation processes, mainly for the removal of heavy metals and in the treatment of contaminated effluents. In this study, the objective was to produce and characterize heterogeneous ion exchange membranes using the phase inversion technique. membranes were produced from polymeric matrices of polysulfone and polyethersulfone with the incorporation of ion-exchange resins, in the proportion of 5% (w/w). The anion exchange membranes used is Duolite AP143/1083 resin and the cation exchange membranes used Amberlit IRP69 resin (Dow company). This study also included the incorporation of 2.5% and 5,0% (w/w) of graphene oxide concomitantly with resins. The membranes were characterized for permeability, structure, and morphology of the cross-section, mechanical strength, and ion-exchange capacity. The polysulfone membranes with the addition of anionic resin and 2.5% of OG presented a hydraulic permeability flux of 59.5 L h-1 m-2, whereas the anionic and cationic polyethersulfone membranes 20.81 and 16.03 L h-1 m-2, respectively. The ion-exchange index of pure polysulfone and polyethersulfone membranes was 0.26 and 0.23 mm g-1, showing an increase with the addition of resins and OG, reaching 1.08 mm g-1 in anionic polyethersulfone membranes with 2.5% of OG. The membranes produced were tested in an electrodialysis cell to remove manganese ions, showing removal of Mn+2 ions greater than 90% of the diluted solution using polysulfone membranes with graphene oxide before and after cleaning. For polyethersulfone membranes, the removal percentages of Mn+2 ions exceeded 94% for ion-exchange membranes and 95% for conditions with graphene oxide, even after membrane regeneration. The membranes were regenerated with 0.1 M NaCl and HCl solutions and again applied in the electrodialysis process with removal rates above 90% for membranes regenerated with the addition of graphene oxide. A study of the applicability of this electrodialysis process was carried out with the membranes produced in the removal of metal ions from two water samples collected, one in the Rio Gualaxo do Norte and the other in the Rio Doce, both affected by the collapse of the Fundão dam in Mariana – MG The collected samples were characterized for the presence of suspended solids with values of 0.23 and 0.13 g L-1, in the Rio Gualaxo do Norte and Rio Doce, respectively, the concentration of metallic ions (0.67 and 0.42 g L-1/Cr+6; 239.18 and 83.96 mg L-1/Fe+2; 12.39 and 2.39 mg L-1/Mn+2 from the Rio Gualaxo do Norte and Rio Doce, respectively). The application of samples collected from rivers in the electrodialysis cell with polyethersulfone membranes with the addition of 2.5% of graphene oxide showed removal rates of chromium, iron, and manganese of 72.8%, 91.3%, and 85.7%, respectively. The addition of graphene oxide proved to be promising to produce heterogeneous ion exchange membranes, with potential for the application to remove metal ions in different contaminated effluents.
Keywords: Membranas
Troca iônica
Eletrodiálise
Óxido de grafeno
Membranes
Ion exchange
Electrodialysis
Graphene oxide
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Subject: Engenharia química
Íons - Espalhamento
Membranas permeáveis a íons
Troca iônica
Catálise heterogênea
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: RODRIGUES, Marilia Silva. Produção de membranas de troca iônica para células de eletrodiálise. 2021. 141 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.625.
Document identifier: https://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.625
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38444
Date of defense: 26-Nov-2021
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