Purification de l'eau améliorée par membrane d'ultrafiltration PVDF modifiée avec GO

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8076 (2023) Citer cet article

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Ce travail présente une membrane d'ultrafiltration modifiée en fluorure de polyvinylidène (PVDF) mélangée à un hydrogel (HG) d'oxyde de graphène-alcool polyvinylique-alginate de sodium (GO-PVA-NaAlg) et à de la polyvinylpyrrolidone (PVP) préparée par l'approche d'inversion de phase induite par précipitation par immersion. Les caractéristiques des membranes avec différentes concentrations de HG et de PVP ont été analysées par microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM), microscopie à force atomique (AFM), mesure de l'angle de contact (CA) et spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflectance totale atténuée (ATR-FTIR). Les images FESEM ont montré une structure asymétrique des membranes fabriquées, possédant une fine couche dense sur le dessus et une couche en forme de doigt. Avec l'augmentation de la teneur en HG, la rugosité de la surface de la membrane augmente de sorte que la rugosité de surface la plus élevée pour la membrane contenant 1 % en poids de HG est d'une valeur Ra ​​de 281,4 nm. De plus, l'angle de contact de la membrane atteint 82,5° dans une membrane PVDF nue à 65,1° dans une membrane contenant 1 % en poids de HG. Les influences de l'ajout de HG et de PVP à la solution de coulée sur le flux d'eau pure (PWF), l'hydrophilie, la capacité antisalissure et l'efficacité de rejet du colorant ont été évaluées. Le flux d'eau le plus élevé a atteint 103,2 L/m2 h à 3 bars pour les membranes PVDF modifiées contenant 0,3 % en poids de HG et 1,0 % en poids de PVP. Cette membrane présentait une efficacité de rejet supérieure à 92 %, 95 % et 98 % pour le méthylorange (MO), le rouge Conge (CR) et l'albumine sérique bovine (BSA), respectivement. Toutes les membranes nanocomposites possédaient un taux de récupération de flux (FRR) supérieur à celui des membranes PVDF nues, et la meilleure performance antisalissure de 90,1 % concernait la membrane contenant 0,3 % en poids de HG. Les performances de filtration améliorées des membranes modifiées par HG étaient dues à l’amélioration de l’hydrophilie, de la porosité, de la taille moyenne des pores et de la rugosité de la surface après l’introduction de HG.

L'eau est une source vivante vitale dont les organismes ont besoin pour survivre ; cependant, seule une quantité limitée d’eau disponible contient de l’eau douce1,2. L'un des principaux polluants présents dans les eaux usées rejetées par diverses industries, principalement les textiles et le papier, sont les colorants qui présentent des risques pour la santé humaine et créent des problèmes environnementaux préjudiciables3. Les colorants issus de l'industrie textile ont un poids moléculaire élevé, une non-biodégradabilité, des réactifs toxiques et des structures complexes. De plus, les colorants, qui font barrière à l'émission de lumière, perturbent la croissance des plantes aquatiques ; le traitement de ces effluents est donc vital4,5. Les méthodes courantes de traitement des eaux usées contenant des colorants comprennent l’oxydation chimique/photocatalytique, l’adsorption, la séparation par membrane et la coagulation6. En raison des besoins énergétiques élevés et de la réutilisation limitée des technologies de traitement conventionnelles, les processus de séparation par membrane à haut rendement, faciles à utiliser et à consommation d'énergie réduite ont reçu davantage d'attention7,8. Les procédés membranaires basés sur la force de pression comprennent la microfiltration (MF)9,10, l'ultrafiltration (UF)11, la nanofiltration (NF)12 et l'osmose inverse (RO)13. La technique UF est largement utilisée pour traiter les eaux polluées par différents colorants14.

Le fluorure de polyvinylidène (PVDF) est une substance appropriée pour la fabrication de membranes polymères UF en raison de sa bonne résistance chimique, de sa stabilité thermique et de sa résistance mécanique15. Les membranes PVDF sont relativement hydrophobes ou moins hydrophiles, provoquant ainsi un encrassement des membranes par des protéines et des matières organiques tout au long du traitement des eaux usées. L'encrassement des membranes réduit leur durée de vie et leur flux d'eau tout en augmentant les coûts énergétiques16. Par conséquent, l’hydrophilie de la membrane est considérablement réduite9. Diverses techniques peuvent améliorer le caractère hydrophile et antisalissure de ces membranes ; par exemple, des nanoparticules inorganiques ont été incorporées dans la matrice membranaire, ce qui entraîne une hydrophilie et un pouvoir antisalissure accrus. Wu et coll. ont synthétisé la membrane composite PVDF-SiO2 via l'approche d'inversion de phase (PI), démontrant que l'ajout de SiO2 améliorait la résistance à l'encrassement de la membrane17. Yan et coll. synthétisé des membranes PVDF/Al2O3 modifiées via la méthode PI. Les analyses AFM et SEM ont démontré que les nanoparticules d'Al2O3 amélioraient les performances antisalissure et le flux de perméation de la membrane par rapport à la membrane non modifiée18. D'autres nanoparticules comprennent le dioxyde de titane (TiO2)19, l'oxyde ferroferrique (Fe3O4)20, les nanotubes de carbone (CNT)21 et l'oxyde de graphène (GO)22, qui ont été utilisés dans la fabrication de membranes pour éliminer les colorants avec succès.