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Authors
Abstract(s)
Global challenges of water contamination and plastic waste management demand innovative solutions to address emerging contaminants (CECs) and promote sustainable practices. This dissertation investigates the development and testing of catalytic nanocomposite membranes (CNMs), synthesized from polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone (PVP), and carbon nanotubes (CNTs) with the potential to be derived from plastic solid waste (PSW). These CNMs were evaluated for their potential to degrade sulfamethoxazole (SMX), an antibiotic found in water sources worldwide, through catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) in a continuous filtration system. Among AOPs, CWPO has demonstrated potential for the efficient decomposition of organic pollutants. CNTs, synthesized via catalytic chemical vapor deposition (CCVD) using iron oxide supported on alumina as a metal substrate, were incorporated into polymeric membranes to provide them with degradation capabilities. Experimental analysis included the synthesis of CNMs via phase inversion. Characterization was conducted using scanning electron microscopy (SEM), textural properties, overall
membrane porosity, largest pore size, hydrophobicity and hydrophilicity, morphology, and thermal decomposition. The membranes were tested in CWPO-enhanced filtration systems to evaluate their SMX degradation potential. The results demonstrated that CNMs with incorporated CNTs significantly improved SMX removal, achieving up to 90% efficiency under continuous flow conditions, with a pollutant degradation mass of up to 2551 mg m-2 h-1. The CNMs exhibited enhanced hydrogen peroxide decomposition (over 80%) and uniform CNT distribution, as verified by SEM analysis, with no significant iron leaching during the
CWPO-enhanced filtration processes. These findings suggest that CNT-based membranes can serve as efficient catalysts in wastewater treatment, facilitating both filtration and oxidative degradation of CECs.In conclusion, this research advances the field of water purification by demonstrating the effectiveness of CNMs in CWPO applications. It reinforces the role of plastic waste recovery in the development of functional nanocomposite membranes, supporting the upcycling of PSWs, contributing to the circular economy, and promoting environmental sustainability and water decontamination.
Os desafios globais de contaminação da água e gestão de resíduos plásticos exigem soluções inovadoras para enfrentar contaminantes emergentes (CECs) e promover práticas sustentáveis. Esta dissertação investiga o desenvolvimento e teste de membranas nanocompósitas catalíticas (CNMs), sintetizadas a partir de fluoreto de polivinilideno (PVDF), polivinilpirrolidona (PVP) e nanotubos de carbono (CNTs) com potencial para serem feitos de resíduos sólidos plásticos (PSW). Essas CNMs foram avaliadas por seu potencial de degradar sulfametoxazol (SMX), um antibiótico encontrado em fontes de água em todo o mundo, por meio da oxidação catalítica com peróxido (CWPO) em um sistema contínuo de filtração. Entre os AOPs, a CWPO tem demonstrado potencial para a decomposição eficiente de poluentes orgânicos. Os CNTs, sintetizados via deposição química a vapor catalítica (CCVD) usando óxido de ferro suportado em alumina como substrato metálico, foram incorporados em membranas poliméricas para atribuir a elas capacidades de degradação. A análise experimental incluiu a síntese de CNMs por inversão de fase. A caracterização foi feita utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM), propriedades texturais, porosidade total da membrana, maior tamanho de poro, hidrofobicidade e hidrofilicidade, morfologia e decomposição térmica. As membranas foram testadas em sistemas de filtração intensificados com CWPO para avaliar sua capacidade de degradar SMX. Os resultados demonstraram que CNMs com CNTs incorporados melhoraram significativamente a remoção de SMX, alcançando até 90% de eficiência em condições de fluxo contínuo, com uma degradação de massa de poluentes de até 2551 mg m-2 h-1. As CNMs exibiram maior decomposição de peróxido de hidrogênio (acima de 80%) e distribuição uniforme de CNTs, conforme verificado pela análise de SEM, sem lixiviação significativa de ferro durante as filtrações intensificadas por CWPO. Esses achados sugerem que membranas à base de CNTs podem servir como catalisadores eficientes no tratamento de águas residuais, facilitando tanto a filtração quanto a degradação oxidativa de CECs. Em conclusão, esta pesquisa avança no campo da purificação da água ao demonstrar a eficácia das CNMs na CWPO. Ela reforça o papel da recuperação de resíduos plásticos no desenvolvimento de membranas nanocompósitas funcionais, apoiando o conceito de upcycle de PSWs, contribuindo para a economia circular, promovendo a sustentabilidade ambiental e a descontaminação da água.
Os desafios globais de contaminação da água e gestão de resíduos plásticos exigem soluções inovadoras para enfrentar contaminantes emergentes (CECs) e promover práticas sustentáveis. Esta dissertação investiga o desenvolvimento e teste de membranas nanocompósitas catalíticas (CNMs), sintetizadas a partir de fluoreto de polivinilideno (PVDF), polivinilpirrolidona (PVP) e nanotubos de carbono (CNTs) com potencial para serem feitos de resíduos sólidos plásticos (PSW). Essas CNMs foram avaliadas por seu potencial de degradar sulfametoxazol (SMX), um antibiótico encontrado em fontes de água em todo o mundo, por meio da oxidação catalítica com peróxido (CWPO) em um sistema contínuo de filtração. Entre os AOPs, a CWPO tem demonstrado potencial para a decomposição eficiente de poluentes orgânicos. Os CNTs, sintetizados via deposição química a vapor catalítica (CCVD) usando óxido de ferro suportado em alumina como substrato metálico, foram incorporados em membranas poliméricas para atribuir a elas capacidades de degradação. A análise experimental incluiu a síntese de CNMs por inversão de fase. A caracterização foi feita utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM), propriedades texturais, porosidade total da membrana, maior tamanho de poro, hidrofobicidade e hidrofilicidade, morfologia e decomposição térmica. As membranas foram testadas em sistemas de filtração intensificados com CWPO para avaliar sua capacidade de degradar SMX. Os resultados demonstraram que CNMs com CNTs incorporados melhoraram significativamente a remoção de SMX, alcançando até 90% de eficiência em condições de fluxo contínuo, com uma degradação de massa de poluentes de até 2551 mg m-2 h-1. As CNMs exibiram maior decomposição de peróxido de hidrogênio (acima de 80%) e distribuição uniforme de CNTs, conforme verificado pela análise de SEM, sem lixiviação significativa de ferro durante as filtrações intensificadas por CWPO. Esses achados sugerem que membranas à base de CNTs podem servir como catalisadores eficientes no tratamento de águas residuais, facilitando tanto a filtração quanto a degradação oxidativa de CECs. Em conclusão, esta pesquisa avança no campo da purificação da água ao demonstrar a eficácia das CNMs na CWPO. Ela reforça o papel da recuperação de resíduos plásticos no desenvolvimento de membranas nanocompósitas funcionais, apoiando o conceito de upcycle de PSWs, contribuindo para a economia circular, promovendo a sustentabilidade ambiental e a descontaminação da água.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Catalytic nanocomposite membranes Carbon nanotubes Plastic waste Upcycling Catalytic oxidation with hydrogen peroxide Sulfamethoxazole