Estudio de eficiencia de desalinización y capacidad anti-incrustación de membranas TFC-RO modificadas con nanopartículas de cobre

Abstract

La desalinización de agua de mar mediante osmosis reversa (RO) es un proceso que ha destacado en los últimos años debido a su alta eficiencia. Dentro de los fenómenos que afecta en mayor medida a este proceso se encuentra la incrustación o fouling biológico, siendo ésta una de las principales limitantes en el desempeño de las membranas utilizadas en el proceso para purificar agua de mar. Actualmente, el Centro de Tecnología Avanzada para la Minería (AMTC) se encuentra estudiando la incorporación de nanopartículas (NPs) de cobre con efecto biocida en membranas de osmosis inversa de capa fina (TFC) (Proyecto PIA- ACM170003), dado que se ha demostrado que pueden mejorar la resistencia al biofouling. Dentro de estos estudios se considera como una variable importante la carga de NPs a incluir en la membrana. Los objetivos del presente trabajo contemplan la fabricación y caracterización de membranas TFC-RO modificadas con distintas concentraciones de nanopartículas de óxido de cobre (CuO-NPs), incluyendo el análisis del desempeño de las membranas sintetizadas en el proceso de osmosis reversa y en su capacidad para resistir al biofouling. Además, se estudió el efecto de la incorporación de un soporte de poliéster con el fin de aumentar la resistencia mecánica de las membranas y poder operar a mayores presiones. Para ello se sintetizaron coloides con concentraciones de CuO NPs de 0,033% y 0,125% p/p por un método de reacción sonoquímico y, la síntesis de membranas modificadas se realizó añadiendo las NPs durante el proceso de polimerización interfacial. Estas membranas se caracterizaron mediante microscopía de barrido electrónico (SEM), espectroscopía de rayos X (EDX), microscopía de fuerza atómica (AFM), ángulo de contacto, y difracción de rayos X (XRD). Los resultados de caracterización sobre las nanopartículas mostraron diferencias en el tamaño de éstas, con un radio hidrodinámico de 34,94 nm para las 0,033% CuO NPs y de 66,07 nm para las 0,125% CuO NPs. Por otro lado, las caracterizaciones sobre las membranas modificadas confirmaron la presencia de nanopartículas en su superficie, sin embargo, se observó que las membranas modificadas con ambas concentraciones poseen similares cantidades de cobre y morfología superficial. Las pruebas antibiofouling se realizaron con E. coli, demostrando un nivel de muerte entre el 95% y 100% de las bacterias que se encontraban en un medio junto con las membranas modificadas. Además, se observó una disminución de la adherencia de las bacterias de hasta un 92% de antiadhesión en comparación con las membranas sin modificar. Por otra parte, el rendimiento de las membranas modificadas en pruebas en planta obtuvo una capacidad de rechazo de sales de un 91% y un flux de permeado de 3,22 L h-1 m-2. La incorporación de nanopartículas de óxido de cobre II en las membranas TFC mejora las capacidades antibiofouling sin afectar su rechazo de sales, sin embargo, también disminuye el rendimiento de la membrana en términos de la capacidad de flujo de permeado. A pesar de que se utilizaron distintas concentraciones de nanopartículas en la síntesis, las membranas modificadas son similares entre sí, tanto en morfología como en composición, lo cual se podría deber a un efecto de saturación de la cantidad de nanopartículas que son agregadas a la membrana. Finalmente, el soporte extra de poliéster demostró ser una manera efectiva para aumentar la resistencia mecánica de las membranas sintetizadas, ya que permitió operar hasta 950 psi sin que éstas presentaran rupturas.