Study of the retention of bisphenol-A by two nanofiltration membranes of different molecular weight cut-off

Abstract

[ES] El objetivo principal de este informe era investigar la nanofiltración del Bisfenol-A (BPA) utilizando dos membranas de diferente peso molecular (MWCO). Con ello se pretendía conocer mejor los mecanismos de retención del BPA y estudiar cómo interactuaban las membranas elegidas con las moléculas, con vistas a su aplicación en las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales (EDAR). El BPA es un producto químico perturbador endocrino que causa daños a los animales y a los seres humanos y que está presente en el medio ambiente en forma de microplásticos debido a la degradación de los residuos plásticos. Como tal, estos microplásticos pueden acumularse y suelen encontrarse en los efluentes de las EDAR. Los métodos actuales de eliminación del BPA, aunque son eficaces, podrían mejorarse, y la nanofiltración, un proceso impulsado por la presión, es una técnica viable para aplicar en estos escenarios. Se seleccionaron dos membranas comerciales, NP030 (MWCO = 500-600 Da) y NF270 (MWCO = 200-300 Da), para su evaluación, y se llevó a cabo una revisión de la literatura para evaluar la investigación previa en el área de interés. Los mecanismos de retención de nanofiltración identificados fueron la exclusión por tamaño, la exclusión Donnan y el efecto de la sal en los componentes de la solución y los poros de la membrana. A partir de esto se creó un plan experimental que probó el impacto de la presión (4 y 8 bares), el pH (6 y 8) y la fuerza iónica de la solución (0, 1.000 y 2.000 mg/L de cloruro de sodio) en la retención de BPA. Se probaron soluciones de 1 mg/L de BPA, algunas de ellas con componentes de alimentación adicionales, para ambas membranas en una configuración de celda agitada Sterlitech en las condiciones preseleccionadas. Se llevó a cabo una cromatografía líquida de alto rendimiento para analizar el contenido de BPA en las muestras recogidas. Este método permitió calcular la retención de BPA y analizar los resultados de las diferentes condiciones. Se descubrió que la NF270 era la membrana más eficaz para el proceso, ya que daba retenciones de BPA que oscilaban entre el 46,8 y el 91,4% en todas las condiciones evaluadas, mientras que la retención máxima de la NP030 era sólo del 40,9%, y la mayoría de los resultados eran inferiores al 25%. La presión y la fuerza iónica de la solución se identificaron como influyentes en la retención del BPA, pero el pH no tuvo ningún impacto en el rango probado. Un experimento realizado con NF270 y aguas residuales reales mostró resultados prometedores de 57,5% de retención de BPA, pero no se identificaron tendencias claras a partir de la comparación con experimentos similares. Los resultados de este estudio pueden utilizarse ahora para guiar un proceso exhaustivo de optimización de la retención de BPA para ambas membranas, junto con las posibles pruebas específicas de otros tipos de membranas. Esto podría sentar las bases para futuros estudios sobre la posible implantación de la nanofiltración en las EDAR industriales. También proporciona una base de conocimientos para cualquier investigador que investigue la eliminación de BPA mediante nanofiltración, así como los métodos experimentales pertinentes para cualquier estudio futuro similar.

[CA] L'objectiu principal d'este informe era investigar la nanofiltració de Bisfenol-A (BPA) utilisant dues membranes de diferents talls de pes molecular (MWCO). En això es pretenia conéixer millor els mecanismes de retenció del BPA i estudiar cóm les membranes elegides interactuaven amb les molècules, amb vistes a la seua aplicació en les estacions de tractament d'aigües residuals industrials (EDAR). El BPA és un producte químic disruptiu endocrí que causa danys als animals i als sers humans i està present en el mig ambient com a microplàstic a causa de la degradació dels residus plàstics. Com a tal, estos microplàstics poden acumular-se i solen trobar-se en els efluents de les EDAR. Els métodos actuals d'eliminació de BPA, encara que són eficaços, podrien millorar-se, i la nanofiltració, un procés impulsat per la pressió, és una tècnica viable per a aplicar en estos escenaris. Es varen seleccionar per a la seua evaluació dues membranes comercials, NP030 (MWCO = 500-600 Da) i NF270 (MWCO = 200-300 Da), i es va fer una revisió bibliogràfica per avaluar les investigacions anteriors en l'àrea d' interès. Els mecanismes de retenció de nanofiltració dominants identificats van ser l'exclusió per tamany, l'exclusió de Donnan i l'efecte de la sal en els components de la solució i els poros de la membrana. A partir d'açò es va crear un pla experimental que va provar l'impacte de la pressió (4 i 8 bar), el pH (6 i 8) i la força iònica de la solució (0, 1.000 i 2.000 mg/L de clorur de sodi) sobre la retenció de BPA. Es varen provar solucions d'1 mg/L de BPA, algunes amb components d'alimentació adicionals, per a abdós membranes en una configuració de cela agitada Sterlitech en les condicions preseleccionades. Es va portar a terme una cromatografia líquida d'alt rendiment per analisar el contingut de BPA en les mostres arreplegades. Este enfocament va permetre calcular la retenció de BPA i analisr els resultats de diferents condicions. La NF270 va resultar ser la membrana més eficaç per al procés, en retencions de BPA que oscilaven entre el 46,8 i el 91,4% en les condicions evaluades, mentres que la retenció màxima de NP030 va ser només del 40,9%, i la majoria dels resultats varen ser inferiors al 25%. La pressió i la força iònica de la solució es varen identificar com a influents en la retenció de BPA, però el pH no va tindre cap impacte en el rang provat. Un experiment realisat amb NF270 i aigües residuals reals va mostrar resultats prometedors de retenció del 57,5% de BPA, però no es varen identificar tendències clares en comparació amb experiments similars. Els resultats d'este estudi poden utilitzar-se ara per a orientar un procés exhaustiu d'optimisació de la retenció de BPA per a abdós membranes, junt en el possible ensaig especific d'atres tipos de membranes. Açò podria assentar les bases per a futurs estudis sobre la possible aplicació de la nanofiltració a les EDAR industrials. També proporciona una base de coneixements per a qualsevol investigador que investigue l'eliminació de BPA per mig de nanofiltració, aixina com els métodos experimentals pertinents per a qualsevol estudi futur similar.

[EN] The primary aim of this report was to investigate the nanofiltration of Bisphenol-A (BPA) using two membranes of differing molecular weight cut-offs (MWCOs). This was in order to gain further understanding of BPA retention mechanisms, and study how the chosen membranes interacted with the molecules, with a view to application in industrial wastewater treatment plants (WWTPs). BPA is an endocrine disrupting chemical which causes harm to animals and humans and is prevalent in the environment as a microplastic due to the degradation of plastic waste. As such, these microplastics can accumulate and are usually found in effluents from WWTPs. Current methods of BPA removal while effective, could be improved, and nanofiltration, a pressure driven process, is a viable technique to apply in these scenarios. Two commercial membranes, NP030 (MWCO = 500-600 Da) and NF270 (MWCO = 200-300 Da), were selected for evaluation, and a literature review was carried out to assess previous research in the area of interest. Dominant nanofiltration retention mechanisms identified were size exclusion, Donnan exclusion, and salt effect on solution components and membrane pores. From this an experimental plan was created which tested the impact of pressure (4 and 8 bar), pH (6 and 8), and solution ionic strength (0, 1,000 and 2,000 mg/L of sodium chloride) on BPA retention. Solutions of 1 mg/L BPA, some with additional feed components, were tested for both membranes in a Sterlitech stirred cell setup at the pre-selected conditions. High-performance liquid chromatography was carried out to analyse BPA content in the collected samples. This approach allowed retention of BPA to be calculated, and analysis to be conducted on results from different conditions. NF270 was found to be the more effective membrane for the process, giving BPA retentions ranging from 46.8-91.4% across the conditions assessed, while NP030’s maximum retention was only 40.9%, with most results found to be below 25%. Pressure and solution ionic strength were identified as being influential towards the retention of BPA, but pH had no impact in the range tested. An experiment carried out with NF270 and real wastewater showed promising results of 57.5% BPA retention but no clear trends were identified from comparison with similar experiments. The results from this study can now be used to guide a comprehensive process of optimisation of BPA retention for both membranes, along with the potential targeted testing of other types of membranes. This could lay the groundwork for future studies into the possible implementation of nanofiltration in industrial WWTPs. It also provides a base of knowledge for any researcher investigating BPA removal through nanofiltration, and relevant experimental methods for any similar future studies.