Fouling and biofouling resistant membranes for water treatment processes

Resumen

La tecnología de membrana desempeña un papel esencial en los procesos de purificación del agua debido a sus propiedades de separación eficientes y versátiles. Sin embargo, la mayoría de las membranas comerciales se fabrican a partir de materiales hidrófobos, lo que las hace más susceptibles de sufrir la adsorción de moléculas (fouling) o microorganismos (biofouling) sobre su superficie y/o dentro de sus poros. El ensuciamiento de la membrana constituye uno de los principales problemas operativos, ya que causa el taponamiento de los poros, la reducción del flujo de agua, el aumento del consumo de energía, lo cual reduce la vida útil de la membrana. Así, el objetivo general de esta tesis doctoral es el desarrollo y/o modificación de membranas de ultrafiltración, para minimizar su tendencia a acumular materia orgánica o microrganismos sobre su superficie. Para ello, se utilizaron varias técnicas, como la incorporación de diferentes aditivos hidrófilos orgánicos e inorgánicos o el recubrimiento superficial mediante una capa de nanofibras electrohiladas, evaluándose los efectos que producen en el rendimiento y en las propiedades de las membranas. Los resultados mostraron que las membranas funcionalizadas con nanopartículas metálicas soportadas en fibras de sepiolita o sílice mesoporosa, presentaron una porosidad más elevada y una mayor permeabilidad, evitando la agregación de las nanopartículas en la solución polimérica. La permeabilidad de la membrana mejoró significativamente, presentando mejores propiedades anti-ensuciamiento, todo ello sin comprometer el rechazo orgánico. No se observó lixiviación de partículas metálicas durante su uso, lo que confirma la estabilidad del material. Además, dichas membranas exhibieron una alta actividad antimicrobiana contra bacterias gram-positivas y gram-negativas debido a la acción oligodinámica de los iones de plata y cobre. Alternativamente, la adición del Helux-3316, una poliamidoamina hiperramificada comercial, generó una alta densidad de grupos funcionales cargados positivamente sobre la superficie de las membranas, aumentando su hidrofilicidad y la permeabilidad al agua. Las membranas también mostraron una mejora en su comportamiento anti-ensuciamiento, manifestándose después de filtrar soluciones de suero bovino de albúmina (BSA). Además, las membranas funcionalizadas también mostraron una importante actividad antimicrobiana, atribuida a la interacción de los grupos cargados positivamente de la poliamidoamina con las membranas bacterianas cargadas negativamente, lo que conduce a la desestabilización de su pared celular. Otra técnica utilizada en este trabajo consistió en el recubrimiento de la superficie de las membranas mediante fibras electrohiladas, compuestas por una mezcla del ácido poli(acrílico) (PAA) y alcohol de polivinilo (PVA). Los resultados mostraron que las nanofibras, aumentaron la hidrofilicidad de la membrana, reduciendo la adherencia de materia orgánica sobre su superficie, todo ello sin afectar la permeabilidad y el rechazo de proteínas. Además, el recubrimiento de las nanofibras mostró una considerable actividad antimicrobiana, particularmente para la bacteria S. aureus, atribuida al efecto quelante de PAA con los cationes divalentes, especialmente el Ca2+ que estabilizan la pared celular bacteriana. Los resultados de este trabajo son relevantes para demostrar que las técnicas de modificación descritas anteriormente mejoran con eficacia el rendimiento de las membranas de ultrafiltración, reduciendo la adhesión de materia orgánica y microorganismos sobre su superficie.