Desarrollo de membranas de alto rendimiento para la separación de aceite-agua mediante técnicas de electrospinning

Abstract

[ES] “Desarrollo de membranas de alto rendimiento para la separación de aceite-agua mediante técnicas de electrospinning” En esta tesis de máster se lleva a cabo el desarrollo de membranas de alto rendimiento para la separación de aceite-agua mediante técnicas de electrospinning. Esta investigación, se ha realizado a través del convenio académico Promoe entre la Universitat Politècnica de València y la Keio University of Tokyo. El aumento constante de población mundial lleva a un incremento en la necesidad de agua potable, pero a su vez genera una mayor cantidad de desechos que provocan la contaminación de las aguas, provenientes sobre todo de la industria alimentaria, textil y petroquímica. Por ello, la limpieza y obtención de agua potable se ha convertido en uno de los problemas medioambientales más urgentes a resolver. Uno de los campos en los que se enfoca la nanotecnología es el desarrollo de membranas que permitan, de manera eficiente y barata, la separación de diversas sustancias y la limpieza de las aguas. En el caso de este trabajo, el objetivo principal es la fabricación y caracterización de membranas hidrofóbicas e hidrofílicas, fabricadas mediante el método de electrospinning, que permitan separar agua y aceites. La membrana hidrofílica, fabricada con poli (vinil alcohol) y poli (ácido acrílico) – PVA·PAA, y la membrana hidrofóbica, de poli (fluoruro de vinilideno) – PVDF, han sido fabricadas mediante soluciones, las cuales se han extruido en forma de fibra utilizando la técnica del electrospinning, hasta formar la estructura final. Los tiempos de fabricación para cada una de ellas han sido 30 min, 45 min, 60 min y 1 h, 2 h, 4 h respectivamente. Para poder llegar a separar tres sustancias distintas e inmiscibles entre sí (agua, ácido oleico y aceite de silicona), ha sido necesario realizar varios postratamientos a las membranas, con el fin de cambiar su energía superficial. En el caso de la membrana de PVA·PAA, se le ha aplicado un tratamiento térmico de reticulación, y para conseguir que la membrana de PVDF separase dos tipos de aceite distintos, se ha utilizado la técnica de sol-gel con deciltrimetoxisilano – DTMS a tres velocidades distintas: 0,5 mm/s; 1,0 mm/s y 2,0 mm/s. Posteriormente, se ha caracterizado cada una de las membranas fabricadas mediante técnicas de microscopía, que han permitido estudiar su estructura, y se han realizado ensayos para conocer el ángulo de contacto, el flujo o la eficiencia. Los tiempos de fabricación, la velocidad y los sustratos utilizados en la técnica de electrospinning han influido en la densidad, tamaño de poro y orientación de las fibras que componen las membranas. Estos parámetros han determinado los ángulos de contacto y la permeabilidad de las membranas, de manera que al disminuir el tamaño de poro se ha obtenido, en la mayoría de los casos, un mayor ángulo de contacto y un menor valor de flujo. También se ha observado que la eficiencia obtenida para la separación de agua y aceite es mayor que la obtenida en la separación de los dos aceites, debido a la complejidad que supone separar dos sustancias con tensiones superficiales tan próximas entre sí. Se ha determinado que las membranas que presentan mejores prestaciones para la separación de las tres sustancias son: PVA·PAA 30 min, PVDF 2 h para la permeabilidad de los dos aceites, PVDF 4h para la permeabilidad del ácido oleico y PVDF 4 h + DTMS 1,0 mm/s para la permeabilidad del aceite de silicona. Para el proceso de separación se ha utilizado inicialmente la técnica conocida como Ttube, mediante la cual se ha conseguido separar más de dos líquidos distintos simultáneamente. Sin embargo, debido a la ausencia de fuerza de la gravedad, los tiempos de separación eran demasiado largos y no se utilizaba la totalidad del área de las membranas. Esto ha llevado a la necesidad de desarrollar un aparato que permita aumentar la velocidad de separación mediante el uso de una bomba de vacío

[EN] “Development and characterization of high-performance membranes for oil-water separation by electrospinning techniques” In this master’s thesis, the development of high-performance membranes for oil-water separation is carried out by means of electrospinning techniques. It has been carried out thanks to the academic exchange between the Polytechnic University of Valencia and the Keio University of Tokyo. The constant increase of the world population leads to an increase in the need for drinking water, but it also generates a greater amount of waste that causes the contamination of water, coming mostly from the food, textile and petrochemical industry. Therefore, cleaning wastewater and obtaining drinking water has become one of the most urgent environmental problems to solve. One of the fields in which nanotechnology is focused is the development of membranes that allow, efficiently and cheaply, the separation of various substances and the wastewater cleaning. In this work, the main objective is the manufacture and characterization of hydrophobic and hydrophilic membranes, manufactured by the electrospinning method, which can separate water and oils. The hydrophilic membrane, made of poly (vinyl alcohol) and poly (acrylic acid) - PVA·PAA, and the (poly(vinylidene fluoride) – PVDF hydrophobic membrane, have been manufactured by means of solutions, which have been extruded in fiber form using the electrospinning technique, to form the final structure. The manufacturing times for each of them have been 30 min, 45 min, 60 min and 1 h, 2 h, 4 h respectively. In order to be able to separate three different and immiscible substances (water, oleic acid and silicone oil), it has been necessary to carry out several post-treatments to the membranes in order to change their surface energy. In the case of the PVA·PAA membrane, a crosslinking heat treatment has been applied. To achieve the separation of different types of oil, a sol-gel technique has been used, coating the PVDF membrane with decyltrimethoxysilane – DTMS. There have been set three different speeds: 0,5 mm/s; 1,0 mm/s and 2,0 mm/s. Subsequently, each of the membranes has been characterized by microscopy techniques, which have allowed to study their structure. In addition, some experiments have also been made to know the contact angle, flow or efficiency. Manufacturing time, speed and substrates used in the electrospinning technique have influenced the density, pore size and orientation of the fibers that make up the membranes. These parameters have determined the contact angles and the permeability of the membranes, so that by decreasing the pore size it has been obtained, in most cases, a greater contact angle and a lower flow value. It has also been observed that the efficiency obtained for the separation of water and oil is greater than that obtained in the separation of the two oils, due to the complexity involved in separating two substances with surface tensions so close to each other. It has been determined that the membranes that have the best performance for the separation of the three substances are: PVA·PAA 30 min, PVDF 2 h for the permeability of the two oils, PVDF 4 h for the permeability of oleic acid and PVDF 4 h + DTMS 1,0 mm/s for the permeability of the silicone oil. For the separation process, the technique known as T-tube has been used initially, by means of which it has been possible to separate more than two different liquids simultaneously. However, due to the absence of gravity, the separation times were too long, and the entire area of the membranes was not used. This has led to the need to develop an apparatus that allows to increase the speed of separation by using a vacuum pump