Membranas Cerâmicas Modificadas: Remoção de Corante e Propriedades Antibacterianas

As membranas cerâmicas têm atraído atenção significativa no tratamento de águas residuais devido à sua forte estabilidade química/térmica, propriedades anti-incrustantes e longa vida útil. No entanto, as membranas cerâmicas tradicionais sofrem com elevados custos de fabricação e temperaturas de sinterização. Além disso, os produtos convencionais dependem apenas de mecanismos de remoção passivos, como peneiração física e adsorção superficial, carecendo de degradação catalítica e funções antibacterianas intrínsecas. Isso os torna propensos a incrustações nas membranas e degradação da eficiência em ambientes complexos de águas residuais. Simultaneamente, os corantes trifenilmetano, como o cristal violeta nas águas residuais industriais, são quimicamente estáveis, difíceis de biodegradar e cancerígenos, representando ameaças significativas à ecologia e à saúde humana. Microorganismos patogênicos em corpos d'água causam facilmente bioincrustação, restringindo ainda mais a operação dos sistemas de membrana. Portanto, o desenvolvimento de membranas cerâmicas multifuncionais que combinem baixo custo, altas taxas de remoção de poluentes e propriedades antibacterianas tornou-se foco de pesquisa.

Este estudo utiliza cinzas volantes de usinas termelétricas e areia natural como principais matérias-primas. As cinzas volantes são pré-tratadas por meio de tratamento térmico e lixiviação com ácido acético para remover carbono não queimado e componentes voláteis, otimizando sua proporção de silício-para{5}}alumínio para atender aos requisitos de formação de cerâmica. Nanocompósitos de ZnO dopados com Ag- (Ag-ZnO) foram sintetizados de maneira verde usando extrato de folhas da planta nativa sul-africana Searsia lancea como agente redutor e estabilizante. Uma membrana cerâmica assimétrica de bicamada consistindo de uma camada ativa funcional e uma camada de suporte foi preparada por meio de co-prensagem úmida e co{11}}sinterização a 1000 graus. As cargas de Ag-ZnO na camada ativa foram 0,25 g, 0,50 g e 0,75 g, respectivamente, e as amostras correspondentes foram rotuladas FCM@0.25, FCM@0.50 e FCM@0.75. A amostra não modificada foi rotulada como PCM.

A caracterização por XRD, FTIR, SEM{0}}EDS e TGA confirmou que Ag foi dopado com sucesso na estrutura hexagonal wurtzita de ZnO, com nanopartículas uniformemente distribuídas na superfície da membrana. Após a modificação, o tamanho médio dos poros da membrana diminuiu do grande tamanho original para 0,03 μm, a porosidade foi de 31,4% e o fluxo de água pura atingiu 42,13 L/(m²·h). A resistência mecânica aumentou de 4,68 MPa para 6,88 MPa com o aumento da carga de Ag-ZnO, e a perda de peso foi inferior a 0,3% em ambientes ácidos (pH=2) e alcalinos (pH=13), demonstrando excelente estabilidade química. O ponto de carga zero (pHpzc) foi de 6,3, e a superfície carregava uma carga negativa sob condições neutras a levemente alcalinas, o que é benéfico para a adsorção de corantes catiônicos.

Desempenho de remoção de corante: Sob condições de pH=8 e uma concentração inicial de cristal violeta de 10 ppm, a membrana FCM@0.50 atingiu uma taxa de remoção de 95% nos primeiros 20 minutos e 89% em 100 minutos, significativamente superior aos 78% e 46% da membrana original, respectivamente. O mecanismo de remoção é o seguinte: Sob condições alcalinas, a carga negativa na superfície da membrana e o cristal violeta catiônico geram atração eletrostática. Simultaneamente, as nanopartículas preenchem os poros, reduzindo o tamanho dos poros e aumentando a tortuosidade da membrana, combinada com o efeito sinérgico de adsorção superficial e exclusão de tamanho. A membrana pode ser reciclada cinco vezes, mantendo uma taxa de remoção de 86% mesmo após o quinto ciclo. A regeneração pode ser alcançada através da calcinação a 450 graus. Contudo, o fluxo diminui com o aumento da carga, exigindo um equilíbrio entre eficiência de remoção e fluxo; FCM@0.50 é a amostra ideal.

Desempenho antibacteriano: A atividade antibacteriana foi avaliada utilizando o método padrão ISO 22196, com Salmonella typhi como bactéria modelo. Os resultados mostraram uma correlação positiva entre o efeito antibacteriano e a carga de Ag-ZnO: as taxas de inativação bacteriana de FCM@0.25, FCM@0.50 e FCM@0.75 atingiram 75%, 89% e 92%, respectivamente, devido ao efeito sinérgico da liberação de Ag+ e da fotocatálise de ZnO, que perturba as membranas celulares bacterianas e os processos metabólicos, inibindo efetivamente a bioincrustação da membrana.

Esta pesquisa alcançou o aproveitamento de recursos de resíduos sólidos, como cinzas volantes e areia natural. O processo de síntese verde reduziu o custo ambiental da preparação de nanomateriais. A membrana bicamada desenvolvida supera as limitações das membranas cerâmicas tradicionais com a sua função única, alcançando simultaneamente uma remoção eficiente de corantes e propriedades antibacterianas e anti-incrustantes, alinhando-se com os objetivos de desenvolvimento sustentável. Outras melhorias podem ser feitas otimizando a espessura da camada ativa, controlando a distribuição de nanopartículas e construindo uma estrutura hierárquica de poros para aumentar ainda mais o fluxo. A validação com fluxo contínuo de águas residuais reais promoverá a sua aplicação industrial.

Esta pesquisa fornece uma estrutura técnica replicável para o projeto de membranas cerâmicas multifuncionais de baixo-custo, com amplas perspectivas de aplicação em áreas como tingimento e impressão, tratamento de águas residuais e purificação descentralizada de água potável.