Stability of a Nanofiltration Membrane After Contact with a Low-Level Liquid Radioactive Waste

This study investigated the treatment of a liquid radioactive waste containing uranium (235U + 238U) using nanofiltration membranes. The membranes were immersed in the waste for 24–5000 h, and their transport properties were evaluated before and after the immersion. Surface of the membranes changed after immersion in the waste. The SW5000 h specimen lost its coating layer of polyvinyl alcohol, and its rejection of sulfate ions and uranium decreased by about 35% and 30%, respectively. After immersion in the waste, the polyamide selective layer of the membranes became less thermally stable than that before immersion.

Evaluation of Transport Properties of Nanofiltration Membranes Exposed to Radioactive Liquid Waste

The application of membrane separation processes (PSM) for treatment of radioactive waste requires the selection of a suitable membrane for the treatment of waste, as the membrane will be directly exposed to the radioactive liquid waste, and also exposed to ionizing radiation. The nanofiltration membrane is most suitable for treatment of radioactive waste, since it has high rejection of multivalent ions. Usually the membranes are made of polymers and depending on the composition of the waste, type and dose of radiation absorbed may be changes in the structure of the membrane, resulting in loss of its transport properties. We tested two commercial nanofiltration membranes: NF and SW Dow/Filmtec. The waste liquid used was obtained in the process of conversion of uranium hexafluoride gas to solid uranium dioxide, known as "carbonated water". The membranes were characterized as their transport properties (hydraulic permeability, permeate flux and salt rejection) before and after their immersion in the waste for 24 hours. The surface of the membranes was also evaluated by SEM and FTIR. It was observed that in both the porosity of the membrane selective layer was altered, but not the membrane surface charge, which is responsible for the selectivity of the membrane. The NF membranes and SW showed uranium ion rejection of 64% and 55% respectively.

Application of Nanofiltration to the Treatment of Acid mine Drainage Waters

This study investigated the separation of uranium and other elements in high concentrations from acid mine waters at Caldas Uranium Mining, in the southeast of Brazil, using nanofiltration membranes. Nanofiltrarion is widely used in water treatment due to the lower energy requirements and higher yields than reverse osmosis. Separation characteristics are dependent on both the molecular size and charge of the dissolved species in the feed solution as well as membrane properties. In this investigation the potential of nanofiltration to removed dissolved species like uranium from acid mine water drainage was measured. Two composite aromatic polyamide commercially membranes of FilmTec/Dow were tested and it found that uranium rejections of greater than 90% and also showed potential for the separation of aluminum and manganese.

Quantitative characterization of physico-chemical properties of the active layers of reverse osmosis and nanofiltration membranes, and their relation to membrane performance

The main objectives of this dissertation were: (i) to develop experimental and analytical procedures to quantify different physico-chemical properties of the ultra-thin (~ 100 nm) active layers of reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) membranes and their interactions with contaminants; (ii) to use such procedures to evaluate the similarities and differences between the active layers of different RO/NF membranes; and (iii) to relate characterization results to membrane performance. Such objectives were motivated by the current limited understanding of the physico-chemical properties of active layers as a result of traditional characterization techniques having limitations associated with the nanometer-scale spatial resolution required to study these ultra-thin films. Functional groups were chosen as the main active layer property of interest. Specific accomplishments of this study include the development of procedures to quantify in active layers as a function of pH: (1) the concentration of both negatively and positively ionized functional groups; (2) the stoichiometry of association between ions (i.e., barium) and ionized functional groups (i.e., carboxylate and sulfonate); and (3) the steric effects experienced by ions (i.e., barium). Conceptual and mathematical models were developed to describe experimental results. The depth heterogeneity of the active layer physico-chemical properties and interactions with contaminants studied in this dissertation was also characterized. Additionally, measured concentrations of ionized functional groups in the polyamide active layers of several commercial RO/NF membranes were used as input in a simplified RO/NF transport model to predict the rejection of a strong electrolyte (i.e., potassium iodide) and a weak acid (i.e., arsenious acid) at different pH values based on rejection results at one pH condition. The good agreement between predicted and experimental results showed that the characterization procedures developed in this study serve as useful tools in the advancement of the understanding of the properties and structure of the active layers of RO/NF membranes, and the mechanisms of contaminant transport through them.

Design of advanced reverse osmosis and nanofiltration membranes for water purification

Most commercially available reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) membranes are based on the thin film composite (TFC) aromatic polyamide membranes. However, they have several disadvantages including low resistance to fouling, low chemical and thermal stabilities and limited chlorine tolerance. To address these problems, advanced RO/NF membranes are being developed from polyimides for water and wastewater treatments. The following three projects have resulted from my research. (1) Positively charged and solvent resistant NF membranes. The use of solvent resistant membranes to facilitate small molecule separations has been a long standing industry goal of the chemical and pharmaceutical industries. We developed a solvent resistant membrane by chemically cross-linking of polyimide membrane using polyethylenimine. This membrane showed excellent stability in almost all organic solvents. In addition, this membrane was positively charged due to the amine groups remaining on the surface. As a result, high efficiency (> 95%) and selectivity for multivalent heavy metal removal was achieved. (2) Fouling resistant NF membranes. Antifouling membranes are highly desired for “all” applications because fouling will lead to higher energy demand, increase of cleaning and corresponding down time and reduced life-time of the membrane elements. For fouling prevention, we designed a new membrane system using a coating technique to modify membrane surface properties to avoid adsorption of foulants like humic acid. A layer of water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polyvinyl sulfate (PVS) or sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK), was adsorbed onto the surface of a positively charged membrane. The resultant membranes have a smooth and almost neutrally charged surface which showed better fouling resistance than both the positively charged NF membranes and commercially available negatively charged NTR-7450 membrane. In addition, these membranes showed high efficiency for removal of multivalent ions (> 95% for both cations and anions). Therefore, these antifouling surfaces can be potentially used for water softening, water desalination and wastewater treatment in a membrane bioreactor (MBR) process. (3) Thermally stable RO membranes. Commercial RO membranes cannot be used at temperature higher than 45°C due to the use of polysulfone substrate, which often limits their applications in industries. We successfully developed polyimides as the membrane substrate for thermally stable RO membranes due to their high thermal resistance. The polyimide-based composite polyamide membranes showed desalination performance comparable to the commercial TFC membrane. However, the key advantage of the polyimide-based membrane is its high thermal stability. As the feed temperature increased from 25oC to 95oC, the water flux increased 5 - 6 times while the salt rejection almost kept constant. This membrane appears to provide a unique solution for hot water desalination and also a feasible way to improve the water productivity by increasing the operating temperature without any drop in salt rejection.

Nanofiltration membranes modified with aromatic polyamide dendrimers active layers

This thesis describes the modification of the commercial TFC-S nanofiltration membrane with shape-persistent dendritic architectures. Amphiphilic aromatic polyamide dendrimers (G1-G3) are synthesized via a divergent approach and used for membrane modification by direct percolation. The permeate samples collected from the percolation experiments are analyzed by UV-Vis spectroscopy to instantly monitor the influence of dendrimer generations on percolation behaviors and new active layer formation. The membrane structures are further characterized by Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and atomic force microscopy (AFM) techniques, suggesting a low-level accumulation of dendrimers inside the TFC-S NF membranes and subsequent formation of an additional aramide dendrimer active layer. Thus, all the modified TFC-S membranes have a double active layer structure. A PES-PVA film is used as a control membrane showing that structural compatibility between the dendrimer and supports plays an important role in the membrane modification process. The performance of modified TFC-S membrane is evaluated on the basis of rejection abilities of a variety of water contaminants having a range of sizes and chemistry. As the water flux is inversely proportional to the thickness of the active layer, we optimize the amount of dendrimers deposited for specific contaminants to improve the solute rejection while maintaining high water flux.

Minimization of bauxite residue neutralization products using nanofiltered seawater

Currently, open circuit Bayer refineries pump seawater directly into their operations to neutralize the caustic fraction of the Bayer residue. The resulting supernatant has a reduced pH and is pumped back to the marine environment. This investigation has assessed modified seawater sources generated from nanofiltration processes to compare their relative capacities to neutralize bauxite residues. An assessment of the chemical stability of the neutralization products, neutralization efficiency, discharge water quality, bauxite residue composition, and associated economic benefits have been considered to determine the most preferable seawater filtration process based on implementation costs, savings to operations and environmental benefits. The mechanism of neutralization for each technology was determined to be predominately due to the formation of Bayer hydrotalcite and calcium carbonate, however variations in neutralization capacity and efficiencies have been observed. The neutralization efficiency of each feed source has been found to be dependent on the concentration of magnesium, aluminium, calcium and carbonate. Nanofiltered seawater with approximately double the amount of magnesium and calcium required half the volume of seawater to achieve the same degree of neutralization. These studies have revealed that multiple neutralization steps occur throughout the process using characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), infrared (IR) spectroscopy and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES).

Improvements to bauxite residue neutralisation efficiency through the use of alternative feed sources

Currently, open circuit Bayer refineries pump seawater directly into their operations to neutralise the caustic fraction of the Bayer residue. The resulting supernatant has a reduced pH and is pumped back to the marine environment. This investigation has assessed modified seawater sources generated from different ion filtration processes to compare their relative capacities to neutralise bauxite residues. An assessment of the chemical stability of the neutralisation products, neutralisation efficiency, discharge water quality, bauxite residue composition, and associated economic benefits have been considered to determine the most preferable seawater filtration process based on implementation costs, savings to operations and environmental benefits. The mechanism of neutralisation for each technology was determined to be predominately due to the formation of Bayer hydrotalcite and calcium carbonate, however variations in neutralisation capacity and efficiencies have been observed. The neutralisation efficiency of each feed source has been found to be dependent on the concentration of magnesium, aluminium, calcium and carbonate. These studies have revealed that multiple neutralisation steps occur throughout the process. Environmental, economic and social advantages and disadvantages of the different filtration technologies have been explored to determine the most sustainable method for the neutralisation of bauxite residues. The relative degree of “green” associated with nanofiltered seawater and reverse osmosis filtered seawater are discussed.

Remoção de metais pesados de efluentes sintéticos aquosos por nanofiltração

O objetivo deste trabalho foi estudar a remoção de metais pesados de efluentes sintéticos aquosos através de nanofiltração, com utilização de membrana de poliamida. A membrana utilizada constituída de poliamida apresentou uma boa permeabilidade hidráulica, constatada pela linearidade de fluxo com a variação de pressão de trabalho. Os metais estudados foram cobre, cádmio, zinco, chumbo e níquel com especiação de nitrato e sulfato. O desempenho do sistema foi verificado pela variação dos parâmetros operacionais (pressão e fluxo), associados também com a variação da salinidade e da concentração do metal. Em uma etapa inicial estudou-se a remoção de metais (nitrato e sulfato) isoladamente em uma mesma concentração molar, na pressão de 10 bar, comparando-se as rejeições com e sem agente complexante (EDTA). Em uma segunda etapa, estudou-se o desempenho da membrana, com misturas dos metais (nitrato) e mistura de metais (sulfato), também com e sem agente complexante, os resultados mostraram que a presença de agente complexante melhorou a rejeição dos metais. Nestas misturas estudaram-se os efeitos das concentrações (0,001; 0,0005 e 0,0001mol/L) e das pressões (5; 7; 10 e 12,5 bar) no sistema de remoção, constatou-se que o aumento da concentração e diminuição da pressão afeta a remoção. Em uma terceira etapa, estudou-se a influência da salinidade pela mistura de dois metais de mesma especiação (sulfato), comparando a remoção na pressão de 10 bar. Os resultados atestaram uma rejeição maior que 94 % para todos metais, na pressão de 10 bar, indicando um excelente desempenho e fluxo adequado, daí viabilidade de processo para todas as concentrações testadas. A pertinência do teste se justifica pela adequação do permeado ao atendimento aos padrões ambientais de concentração de metais e confirmam a eficácia do sistema de nanofiltração na remoção de metais pesados

Avaliação da remoção do íon cádmio em solução aquosa utilizando processos de osmose inversa e nanofiltração

Os efluentes contendo cádmio podem ser gerados dos por várias indústrias. A aplicação de ambas as tecnologias osmose inversa (OI) e nanofiltração (NF) para o tratamento de efluentes contendo o íon cádmio para reduzir a degradação ambiental foram estudadas no presente trabalho. Amostras sintéticas contendo o íon cádmio em várias concentrações foram preparadas e submetidas aos tratamentos por OI e NF em escala laboratorial. Assim, dividiu-se o processo de remoção em três etapas: 1- analisou-se os processos de osmose inversa e nanofiltração em termos da rejeição do íon cádmio, onde se correlacionou e avaliou os principais parâmetros de processos (concentração da solução alimentação, fluxo de permeado e pressão) e comparou-se os sistemas entre si. Nas etapas 2 e 3 avaliou-se os efeitos da salinidade utilizando os contra-íons zinco e sódio respectivamente, sobre a rejeição do íon cádmio no sistema de osmose inversa em soluções aquosas contendo misturas de sulfato de cádmio e sulfato de zinco, e sulfato de cádmio e sulfato de sódio. Mediu-se as concentrações de cádmio e zinco por espectroscopia de absorção atômica e as concentrações de sulfato e sódio por cromatografia de íons. Os resultados obtidos na primeira etapa dos experimentos mostram que a osmose inversa e nanofiltração são eficientes na remoção de cádmio, onde se obteve as taxas médias de rejeição de 92,4% e 96,6% respectivamente, sendo esses valores iguais em magnitude, tendo em vista os valores da incerteza padrão relativa associada a esses resultados. Em ambos os sitemas, os fluxos de permeado e as rejeições não sofreram influência do aumento da concentração de cádmio na solução alimentação.Na etapa 2, os resultados mostraram a diminuição da rejeição de cádmio com o aumento da concentração de sulfato de zinco na alimentação, sendo esse fenômeno atribuído a semelhança existente entre os íons Cd2+ e Zn2+ associados aos seus raios iônicos de hidratação e as energias de hidratação. Foram observadas as quedas do fluxo de permeado e das rejeições com o aumento da concentração de alimentação provavelmente devido ao efeito da polarização. Na etapa 3, a rejeição do íon cádmio não foi afetada pelo aumento da concentração de sulfato de sódio na alimentação, assim como os fluxos de permeado. Outro aspecto relacionado à rejeição é que a difusão do sódio através da membrana é favorecida frente à difusão do cádmio, sendo atribuído ao menor raio de hidratação do sódio

Aplicação de processos com membranas na remoção de piretróides de efluentes industriais

O tratamento de efluentes industriais tem sido objeto de estudos no sentido da busca de soluções que minimizem impactos ambientais e promovam a conservação do bem natural que é a água. Nesta linha de pensamento, o presente trabalho propôs-se avaliar a viabilidade de recuperação de efluentes industriais contaminados com pesticidas do tipo piretróides em específico: a deltametrina e beta-ciflutrina. A justificativa na escolha deste tipo de componente está fundamentada na alta demanda alimentícia por parte da população mundial e o consequente acréscimo no uso dos agrotóxicos a fim de garantir a eficiência e o elevado volume de produção de alimentos. O objetivo deste trabalho foi estudar a remoção da deltametrina e da beta-ciflutrina de efluentes sintéticos aquosos por meio dos processos de osmose inversa e nanofiltração, com a utilização de membranas de poliamida. O presente estudo se justifica pelo atendimento aos padrões ambientais de concentração de piretróides no meio ambiente e reafirma o uso do sistema com membranas no tratamento de efluentes e remoção destes contaminantes. Para caracterização das membranas, foi realizado o teste de permeabilidade hidráulica, constatando diferentes linearidades de fluxo entre os dois processos, com a variação de pressão de trabalho. O desempenho dos processos foi verificado pela variação de parâmetros de meio reacional, variando a concentração dos piretróides em solução, analisando os princípios ativos isolados e também em mistura de ambos piretróides. Primeiramente se estudou a remoção da deltametrina e da beta-ciflutrina isoladamente em solução, nas concentrações de 5, 25, 50 e 100 mg L-1, sob a pressão de 5 bar. Posteriormente, avaliou-se o desempenho das membranas na remoção dos piretróides em mistura nas soluções sintéticas, com ambos os princípios ativos na concentração de 50 mg L-1, na pressão de 5 bar. Foi estudada a remoção da deltametrina e da beta-ciflutrina nos dois processos: osmose inversa e nanofiltração. Os resultados foram tratados estatisticamente por análise de variância (ANOVA) e pela análise por comparação de amostras independentes a fim de verificar a significância dos valores obtidos e a influência da variação dos parâmetros analisados. Para a faixa de concentração estudada (5, 25, 50 e 100 mg L-1) os valores encontrados de concentração de permeado foram todos consideravelmente baixos. O maior valor encontrado foi de 0,026 mg L-1 no ensaio de nanofiltração com concentração inicial de 5 mg L-1 de beta-ciflutrina em água. Os resultados apresentaram excelentes rejeições em todos os testes, seja com princípio ativo isolado ou em mistura, com rejeições maiores que 99,5% para ambos os piretróides nas concentrações testadas, sob a pressão de 5 bar. O processo de nanofiltração apresentou maiores e melhores fluxos de permeado do que a osmose inversa. Contudo, no que diz respeito à eficácia da separação, ambos processos indicaram ótimo desempenho na remoção dos piretróides, viabilizando assim, a escolha destes métodos para tratamento de efluentes contaminados com este pesticida

Avaliação da toxicidade aguda do lixiviado tratado pelos processos de wetland e nanofiltração.

No Brasil, o tratamento do lixiviado, proveniente da disposição dos resíduos sólidos urbanos, ainda é um desafio, haja visto que atualmente não há indícios de tratamento economicamente viável que atenda aos padrões de lançamento da legislação brasileira. Além disso, os diversos tipos de efluentes, mesmo quando adequadamente tratados, apresentam níveis residuais de substâncias que podem conferir toxicidade aos mesmos. Devido a isso, tem-se uma preocupação com essas substâncias remanescentes e, sobretudo, com o seu possível potencial tóxico. Diante desse quadro, a incorporação da avaliação da toxicidade no tratamento dos efluentes é de grande importância na proteção dos ambientes aquáticos. É crescente o interesse pela toxicidade como um parâmetro de controle, que, contudo, é ainda pouco regulamentada. Este estudo tem como principal objetivo ampliar o conhecimento sobre o tratamento de lixiviados através da avaliação da toxicidade por meio de ensaios ecotoxicológicos. Foi avaliada a toxicidade aguda do lixiviado do Aterro Metropolitano de Jardim Gramacho, em Duque de Caxias RJ após os processos de tratamento por wetland e nanofiltração utilizando-se dois organismosteste de diferentes níveis tróficos (Aliivibrio fischeri e Daphnia similis). Os ensaios de toxicidade aguda com a bactéria Aliivibrio fischeri apresentaram valores de CE50 (%) na faixa de 11,75 a 96,17 para o afluente do wetland e valores de CE50 (%) na faixa de 21,60 a 86,32 para o efluente do wetland. Tanto para o afluente, quanto para o efluente do wetland, foram obtidos valores de FT ≤ 8. Para o efluente da nanofiltração, dos 6 ensaios de toxicidade aguda com a bactéria Aliivibrio fischeri, com exceção de 1 amostra, não foi observada toxicidade. Para os ensaios de toxicidade com a Daphnia similis foram obtidos valores de CE50 (%) na faixa de 24,15 a 70,71 para o afluente do wetland e valores na faixa de 19,61 a 70,71 para o efluente do wetland.

纳滤和生物活性炭去除微污染原不中阿特拉津

除草剂阿特拉津的大量生产和广泛使用形成了对饮用水源的严重污染，目前在世界范围内的地表水和地下水中均检出一定浓度的阿特拉津，这对人类健康构成严重威胁。本文研究了采用纳滤技术和生物活性炭技术去除微污染原水中阿特拉津的可行性，对上述两种技术的去除效率、作用机理和影响因素进行了研究，并探讨了它们在未来饮用水深度处理中的优势和不足。本论文获得了以下一些具有重要意义的研究结果：（1）除天然有机物外，原水中无机离子在膜表面或孔径内吸附，引起膜有效孔径减小，使纳滤膜对农药截留率提高并降低水通量；在所研究的两个系列四种纳滤膜中，UTC-20截留阿特拉津达90％，截留其他有机物＞95％，对硝酸盐截留率＞70％，是迄今报道的对硝酸盐去除效率最高的纳滤膜，适于去除原水中阿特拉津和硝酸盐的双重污染；由于水合作用，纳滤膜对分子量相似有机物的截留率与有机物的油水分配系数（LogP）呈显著线性负相关，这一研究结果丰富了对有机物疏水性影响纳滤膜截留性能的认识。（2）筛选到一株能够以阿特拉津为惟一碳源生长的菌株-SYSA，经生理生化特性鉴定和1 6SrRNA基因序列分析，该菌为阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）。这是首次报道肠杆菌属微生物可降解阿特拉津。对SYSA菌的生物学特性研究表明，SYSA菌可耐”受阿特拉津浓度100mg／L；pH7-8，30℃时，在以阿特拉津（20mg／L）惟一碳源的培养基上经146h培养，降解率为87％，该菌代时为2．gld，生长速率为（R）0.344dsel。（3）将SYsA菌接入活性炭柱，形成生物活性炭去除水中微量阿特拉津。研究结果表明空床接触时间为40min、温度为16℃±4℃、溶解氧为4.3-4.6mg／L时，120天后未接菌对照柱去除率下降至30％，而降解菌柱的去除效率却仍保持在65％～75％，延长了炭的使用时间。DGGE图谱表明未接菌对照柱、土壤悬液柱和降解菌柱上均有自来水中的微生物，但降解菌柱上还是以SYSA菌为优势菌。上述研究结果为纳滤或生物活性炭技术用于处理微污染原水、井直接生产饮用水提供了科学依据。

Effects of polymerization conditions on hydrophilic groups in aromatic polyamide thin films

For polyamide used in reverse osmosis (RO) membranes, the content of pendant acid groups is critical to its performance. In this work, FTIR was used to analyze the acid contents in the polyamide films prepared via interfacial polymerization of trimesic acid trichloride (TMC) in hexane and 1,3-phenylenediamine (MPDA) in water, and the effects of reaction conditions, including monomer concentrations, time, and temperature, were studied. It was found that more pendant acid groups are present in the polyramide film at higher TMC concentrations or lower MPDA concentrations, and longer reaction times and lower temperatures also favor the formation of the free acids. These results can be explained by the monomer diffusion in the interfacial polymerization process. This work may help the design and fabrication of RO membranes with different hydrophilicity and target performance.

Valorisation of vegetable oil deodorizer distillate by enzymatic reaction and membrane processing

Dissertação para obtenção do Grau de Doutora em Engenharia Química e Bioquímica