Pesquisa sobre a preparação e as propriedades do álcool polivinílico modificado

Na área da engenharia ambiental, o tratamento de águas residuais com alta concentração de nitrogênio amoniacal continua sendo um desafio significativo. Os métodos tradicionais de tratamento biológico frequentemente apresentam dificuldades quando confrontados com a complexidade e a diversidade da qualidade da água. Consequentemente, a tecnologia de imobilização microbiana tem ganhado ampla aplicação devido à sua capacidade de aumentar as concentrações microbianas relativas e aprimorar a eficiência do tratamento biológico.

Como agente de incorporação mais comumente usado para essa tecnologia, Álcool polivinílico (PVA) O PVA se destaca por seu baixo custo, alta resistência mecânica e resistência à decomposição microbiana. No entanto, o PVA nativo apresenta diversas desvantagens em aplicações práticas, como toxicidade biológica para microrganismos, baixas taxas de recuperação e alta expansão por solubilidade em água (inchaço). Para solucionar esses problemas, pesquisadores estão explorando a modificação por reticulação superficial para otimizar o desempenho do PVA de forma abrangente.

1. Por que modificar o PVA?

Embora o PVA nativo possua boas propriedades de formação de filme e fibra, sua estabilidade em água é relativamente baixa, frequentemente levando ao inchaço que pode comprometer a integridade da membrana imobilizada. Ao introduzir um agente de reticulação, uma reação é desencadeada entre o agente e os abundantes grupos hidroxila nas moléculas de PVA, construindo uma rede estável.

O PVA possui uma grande variedade de agentes de reticulação, como o ácido maleico. formaldeídoe glutaraldeído (GA). Dentre esses, o GA tornou-se uma escolha predominante por operar em condições brandas e não exigir tratamento térmico para a reação. Além disso, a introdução do óxido de grafeno (GO) foi uma sacada genial. O GO possui uma área superficial específica enorme e é rico em grupos funcionais contendo oxigênio, o que melhora significativamente as propriedades mecânicas e a estabilidade química do material compósito.

2. Análise Experimental: Do Óxido de Grafeno às Microesferas de Gel Magnéticas

Esta pesquisa utilizou um processo rigoroso para criar um material de alta resistência e facilmente recuperável:

• Álcool polivinílico 1788 (PVA 1788) Seleção: O estudo utilizou PVA 1788 (grau de polimerização: 1788; peso molecular: 84.000–89.000 g/mol; alcoolise mínima: 87,4%) como polímero base.
• Preparação de Óxido de Grafeno (GO): Utilizando um método de Hummers aprimorado, o grafite natural foi oxidado em três etapas (baixa, média e alta temperatura) com ácido sulfúrico concentrado e permanganato de potássio. Isso expande as camadas de grafite para criar GO funcionalizado.
• Modificação com glutaraldeído (GA): Para reduzir o inchaço, uma solução de PVA a 5% foi reagida com GA para desencadear uma reação de acetalização.
• Magnetização (MGO-PVA): Para solucionar problemas de recuperação, nanopartículas magnéticas de Fe3O4 foram incorporadas à matriz de GO por meio de co-precipitação. Isso permite que o material seja facilmente recuperado utilizando um campo magnético externo.
• Preparação das microesferas de gel: A solução modificada de PVA-GA foi misturada com 1% de alginato de sódio e cepas microbianas específicas (por exemplo, bactérias oxidantes de amônia), e então reticulada em uma solução saturada de ácido bórico e cloreto de cálcio.

3. Resultados e Análise de Dados

Por meio de MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura), DRX (Difração de Raios X) e diversos testes de desempenho físico, o estudo chegou às seguintes conclusões principais:

Otimização do Inchaço: O Ponto Crítico de 3%

O experimento constatou que, quando a fração mássica de GA era de 3%, o teor de água do PVA modificado atingiu seu ponto mais baixo (8,524%) e o grau de inchamento foi significativamente reduzido. Isso indica que o GA reagiu com sucesso com o PVA, reduzindo o número de radicais hidroxila hidrofílicos e aumentando a estabilidade do material em água.

Verificação estrutural: Magnetização bem-sucedida

A caracterização por difração de raios X (DRX) mostrou um pico de difração nítido de FexO em aproximadamente 2θ = 32,61°, confirmando a alta cristalinidade da magnetita sintetizada. Com o aumento do teor de óxido de grafeno (GO), o pico típico de GO em 2θ = 10,09° enfraqueceu, comprovando que o GO foi uniformemente disperso e integrado com sucesso ao PVA.

Resistência mecânica e desempenho de elasticidade

Em testes de oscilação de alta velocidade a 200 rpm, as esferas de gel com adição de 0,3% em peso de GO apresentaram o melhor desempenho:

• A taxa de fragmentação foi de 0%.
• A distância média de ricochete atingiu 18–23 cm.

Isso sugere que a proporção de 0,3% em peso permite que as esferas de gel compensem as forças de cisalhamento hidráulico e compressão por meio de sua própria elasticidade, mantendo ao mesmo tempo dureza suficiente para resistência.

4. Desempenho da Transferência de Massa: Garantindo a Respiração Microbiana

Para microrganismos imobilizados, o desempenho da transferência de massa determina se os nutrientes conseguem entrar suavemente no interior das esferas. Os testes mostraram que as esferas com 0,1% e 0,3% em peso de GO atingiram a maior velocidade de molhagem (100%). Isso indica que baixas concentrações de GO ajudam a formar poros desenvolvidos, garantindo assim alta eficiência de transferência de massa.

Esta pesquisa não apenas fornece um novo caminho para Álcool polivinílico modificado (PVA modificado) mas também atende diretamente à necessidade ambiental crítica de tratamento de águas residuais com alta concentração de nitrogênio amoniacal.

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