Resumo

O processo de coagulação-ultrafiltração de fluxo curto reduz efetivamente os custos de infraestrutura de sedimentação, no entanto, os resíduos de poliacrilamida aniónica (APAM) com matéria orgânica dissolvida apresentam desafios para o controle de fouling da membrana UF e a estabilidade do processo. Durante este estudo, foi investigado o mecanismo pelo qual os resíduos de coagulante APAM influenciam o comportamento de fouling das membranas UF durante o processo de coagulação-ultrafiltração por meio de cinética de fouling, análise morfológica e simulações preliminares de dinâmica molecular. Para a albumina sérica bovina (BSA, Mw: 133,3 kDa), concentrações de APAM inferiores a 5 mg/L aliviaram o fouling por meio da neutralização de carga entre os grupos aniónicos do APAM e os resíduos catiônicos da BSA. A mitigação do fouling reverteu além de 5 mg/L de APAM, com mínimo fouling observado nesse limite. As dinâmicas moleculares preliminares revelaram que o APAM pode induzir a reorientação estrutural da BSA, expondo grupos hidrofílicos para fora para desacelerar a cinética de fouling enquanto aumenta o entupimento irreversível dos poros. Para o ácido húmico (HA, Mw: 4 kDa), transições morfológicas causaram uma inflexão de fouling em 10 mg/L de APAM, alcançando mínimo fouling com 53,41% de irreversibilidade. Os agregados de HA evoluíram através de estruturas particuladas, floculentas e de núcleo-casca à medida que o APAM aumentava. Os dados de simulação demonstraram que as concentrações de APAM alteraram as forças intermoleculares, desencadeando mudanças abruptas no tamanho dos flocos de HA e transformações estruturais. Os resultados sugerem que controlar a concentração residual de APAM no processo de fluxo curto é essencial para gerenciar melhor o fouling da membrana, oferecendo insights técnicos para otimizar a operação estável do processo de coagulação-ultrafiltração.

Introdução

À medida que a escassez global de água se intensifica e a contaminação das fontes de água potável se torna mais frequente, a demanda por água limpa continua a aumentar [1]. Consequentemente, o desenvolvimento de tecnologias avançadas de tratamento de água superficial para garantir um suprimento de água potável seguro e confiável tornou-se cada vez mais urgente [2,3]. O processo de coagulação-sedimentação-ultrafiltração (C–S–UF) é amplamente utilizado em projetos de tratamento de água superficial nacionais e internacionais. Este processo remove eficientemente sólidos suspensos e bactérias, garantindo a segurança do suprimento de água [4]. No entanto, a inclusão de tanques de sedimentação neste processo não apenas aumenta os custos de construção, mas também prolonga o tempo de tratamento.

Para abordar essas limitações, os pesquisadores têm se concentrado cada vez mais na coagulação-ultrafiltração (C–UF) como uma alternativa de processo curto para mitigar os altos custos de construção associados a tanques de sedimentação [5]. Embora a coagulação remova efetivamente sólidos suspensos, sua capacidade de remover matéria orgânica dissolvida (DOMs) da água é limitada. A tecnologia de ultrafiltração tem atraído atenção significativa devido às suas vantagens, incluindo qualidade estável do efluente, alta eficiência na remoção de turbidez e remoção eficaz de patógenos. A ultrafiltração pode remover parcialmente grandes moléculas de DOMs; no entanto, como uma fonte primária de obstrução da membrana, os DOMs comprometem a estabilidade da ultrafiltração [6]. Quando integrada em uma configuração de fluxo curto, o processo C–UF elimina a necessidade de sedimentação, simplificando a operação e permitindo uma redução substancial das concentrações de turbidez e sólidos suspensos por meio da coagulação acoplada à filtração por membrana [7]. Ao contrário dos sistemas convencionais C–S–UF, as configurações de fluxo curto expõem as membranas a coagulantes residuais e DOM não sedimentáveis em um curto período após a dosagem, introduzindo riscos distintos de obstrução da membrana. Embora o termo “fluxo curto” permaneça informal, tais configurações estão sendo cada vez mais adotadas em sistemas compactos ou descentralizados, particularmente em regiões com espaço limitado, como Cingapura e Japão. Por exemplo, a Planta de Água de Tuas, em Cingapura, tem empregado com sucesso a C–UF de fluxo curto desde 2018 para tratar 300.000 m³ de água por dia [8]. Essa adoção crescente destaca a necessidade de entender melhor as interações coagulante–DOM–membrana sob essas condições únicas. Os coagulantes têm um efeito limitado na remoção de DOM, e os coagulantes residuais induzem uma mudança nas propriedades do DOM, o que altera a tendência de obstrução da membrana e, assim, afeta a operação estável do processo em um fluxo curto.

Entre vários coagulantes, o poliacrilamida (PAM) demonstra desempenho superior na remoção de DOMs [9]. Como o coagulante sintético orgânico mais amplamente utilizado, o PAM desempenha um papel fundamental na melhoria da qualidade da água de efluentes. Estudos mostraram que o PAM não apenas melhora a agregação de partículas finas, mas também reduz efetivamente a concentração de DOMs. No entanto, o PAM residual na água pode contribuir para a contaminação da membrana no subsequente processo de ultrafiltração de fluxo curto, impactando assim a eficiência do sistema de ultrafiltração [10]. O uso combinado de poliacrilamida não iônica (NPAM) e cloreto de alumínio polimérico (PAC) em um processo curto de coagulação-ultrafiltração para tratamento de água potável demonstrou reduzir significativamente a contaminação da membrana de ultrafiltração e microfiltração [[11], [12], [13]]. Em contraste, outros estudos mostraram que a poliacrilamida catiônica (CPAM) pode agravar a contaminação da membrana devido à forte atração eletrostática entre o polímero carregado positivamente e a superfície da membrana carregada negativamente, levando à formação de uma camada de bolo de PAM residual na membrana [14]. Por outro lado, foi demonstrado que a camada de bolo formada pela deposição direta do coagulante pode ajudar a mitigar a contaminação da membrana [15,16]. Diferentes tipos de PAMs exercem efeitos variados na contaminação da membrana, com o CPAM agravando a contaminação. Devido à versatilidade e toxicidade do CPAM, a poliacrilamida aniônica (APAM) é comumente utilizada para floculação na purificação da água [17]. No entanto, estudos sistemáticos sobre os mecanismos pelos quais o APAM residual afeta a contaminação da membrana causada por diferentes tipos de DOMs ainda são escassos.

Além disso, as transformações reversíveis e irreversíveis da contaminação da membrana impactam significativamente o desempenho da membrana. Estudos mostraram que o tipo de DOMs influencia a natureza da contaminação da membrana, com certos tipos de DOM induzindo mais facilmente a contaminação irreversível, acelerando assim a degradação da membrana [18,19]. Enquanto isso, foi sugerido que interações entre coagulantes, como PAM, e DOMs específicos podem alterar o comportamento da contaminação da membrana, tornando a contaminação mais difícil de reverter e aumentando significativamente a probabilidade de contaminação irreversível [20]. No entanto, poucos estudos investigaram as transformações reversíveis/irreversíveis da contaminação da membrana induzidas por concentrações de APAM com DOMs típicos.

Este estudo visa abordar essa lacuna investigando o impacto do APAM residual em um processo de coagulação-ultrafiltração de fluxo curto no comportamento subsequente da filtração por membrana. O efeito das mudanças na concentração de APAM no potencial e no tamanho das partículas foi investigado usando DOMs típicos, incluindo BSA (Mw: 133,3 kDa) e HA (Mw: 4 kDa), que induziram mudanças na obstrução da membrana e alterações na morfologia microscópica. Primeiramente, os efeitos das variações na concentração de APAM residual no desempenho da filtração por membrana e nas características da camada de obstrução da membrana foram investigados. Além disso, a morfologia microscópica e as características da camada de obstrução foram analisadas usando microscopia de força atômica (AFM). Para investigar ainda mais a transformação reversível/irreversível da obstrução da membrana, simulações preliminares de MD foram realizadas para explorar os mecanismos subjacentes. Este estudo elucida a influência da concentração de APAM na transformação reversível/irreversível da obstrução da membrana, fornecendo uma base teórica para entender o mecanismo de obstrução da membrana induzida por coagulante residual. Essas descobertas podem ajudar a otimizar a operação estável do processo de coagulação-ultrafiltração de fluxo curto.

O efeito da concentração de APMA no tamanho e potencial das partículas de DOM

As variações no potencial zeta e no tamanho das partículas de BSA e HA com o aumento das concentrações de APAM são apresentadas na Fig. 2. Para a macromolécula típica BSA, o potencial zeta da solução diminuiu acentuadamente de −11,0 para −27,2 mV, enquanto o tamanho das partículas aumentou significativamente de 248,7 para 292,8 nm à medida que a concentração de APAM aumentou de 0 para 5 mg/L. O valor absoluto do potencial zeta aumentou com a concentração de APAM, o que pode ser atribuído à maior carga negativa.

Conclusão

Este estudo investigou sistematicamente como as concentrações residuais de APAM modulam o comportamento de contaminação da membrana em um processo curto de C–UF usando dois contaminantes modelo: BSA e HA. As principais conclusões são as seguintes:

Filtração, resultados de adsorção–dessorção QCM-D e morfologia AFM demonstraram que coagulantes residuais podem induzir mudanças no comportamento de entupimento de membranas induzido por DOM. O entupimento da membrana mostrou reversibilidade dependente da concentração e transformação estrutural.