Desarrollo de membranas cerámicas de ultrafiltración (uf) y nanofiltración (nf) para el tratamiento de aguas residuales

Resumen

En la presente tesis doctoral se han desarrollado membranas cerámicas para procesos de ultrafiltración (10-100 nm) y nanofiltración (1-10 nm) con configuración tubular y con una estructura asimétrica basada en un sistema multicapa que consta de: soporte, capa o capas intermedias y capa activa. Como base para el desarrollo de las capas activas de UF se ha partido de suspensiones cerámicas coloidales comerciales de polvos nanométricos de Al2O3, TiO2 y ZrO2. Tras la determinación del tamaño de partícula y el potencial Z de éstas, se han seleccionado cuatro suspensiones con tamaño de partícula de entre 5 y 30 nm para el desarrollo de membranas de UF. Las suspensiones coloidales comerciales para UF se han adecuado para su deposición sobre membranas de MF mediante la adición de ligantes. La adición de estos ligantes ha servido para evitar que las capas desarrollen defectos durante el secado y se han caracterizado éstos mediante termogravimetría con el fin de definir su Tª de eliminación. La deposición de las suspensiones desarrolladas se ha realizado en dos fases y mediante dos técnicas distintas: sobre membranas comerciales monocanal de TiO2 mediante dip-coating y, posteriormente, mediante colaje sobre membranas de 19 canales de 0,1 µm de paso de poro. La primera de las fases ha servido para la determinación de una composición óptima y condiciones de aplicación para cada suspensión (% sólidos, % y tipo de ligante, condiciones de secado etc), con las que se han obtenido capas adheridas, uniformes, con espesores adecuados y con pocos defectos superficiales.En la segunda fase del estudio se ha utilizado el colaje como método de deposición, adecuando las composiciones determinadas con anterioridad y estudiando los distintos parámetros que influyen en el aspecto y funcionalidad final de la capa de UF. De forma paralela, se han desarrollado membranas no soportadas para la determinación de la sinterabilidad del material. A través de ensayos de dilatometría se ha decretado la Tª a la cual se alcanzan unas adecuadas propiedades sin que llegue a producirse la densificación y la disminución de la porosidad. Además, se ha observado que al incrementarse la Tª de sinterización se produce un aumento del tamaño de poro y de la bulk density y una disminución de la porosidad. De este modo, según la aplicación requerida y variando las temperaturas de sinterización, es posible la obtención de capas de UF de distintos tamaños de poro y porosidades. Una vez desarrolladas las membranas de UF a nivel de laboratorio se ha optimizado el proceso de fabricación adecuando los resultados obtenidos a tubos de más de 1 metro, fabricándose así con éxito dos tipos de membranas de UF, una de circonia y otra de titania. Para evaluar las prestaciones de las membranas obtenidas se han realizado algunas pruebas de permeabilidad en las que se demostrado que las membranas de UF frabricadas han dado valores de permeabilidad muy buenos, incluso por encima de los de membranas comerciales con las mismas características. Para la elaboración de estas membranas se han empleado métodos de sol-gel. Se han sintetizado soles de boehmita, titania y circonia, a partir de la hidrólisis y peptización de alcóxidos metálicos y se ha estudiado qué influencia tienen las condiciones de síntesis en el sol final obtenido. Se han caracterizado estos soles determinando su pH, % en sólidos y estabilidad y se ha observado que el tamaño de partícula puede ser controlado variando la temperatura de síntesis y la acidez del sol. Para determinar la Tª óptima de sinterización en cada caso, se ha realizado un estudio de la evolución de las fases del sol tras distintos ciclos de calcinación, utilizando técnicas como la termogravimetría-calorimetría (DSC/TGA) y la difracción de rayos X. La última parte de la presente tesis ha centrado sus esfuerzos en el inicio del estudio de la deposición de los soles sintetizados sobre un una membranas de MF tras la adición de ligantes orgánicos.