Membranas cerâmicas formadas por óxidos com estrutura perovskita (condutividade mista iônica-eletrônica) podem seletivamente separar o oxigênio do ar ou de outras misturas gasosas contendo oxigênio. Estas membranas são promissoras para uso em muitos processos industriais que requerem contínuo fornecimento de oxigênio puro. As aplicações previstas variam desde bombas de oxigênio para aplicações médicas a uso em larga escala em processos de combustão (gaseificação de carvão). Outra aplicação é encontrada na área de processos químicos, que requerem oxigênio puro para obter gás de síntese (CO+H2). Para tais aplicações, a taxa de fluxo é principalmente influenciada pelo material, condições ambientes (pressão parcial do gás e temperatura) e pelo fator geométrico (área da membrana e espessura). Neste trabalho, o objetivo principal foi o desenvolvimento de membranas tubulares finas de perovskita (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ) com espessura de parede menor que 300μm. A influência na qualidade dos tubos extrudados foi avaliada em função de ligantes poliméricos (PS, PEBD e PEG). Foram investigados a degradação do polímero durante o processo de mistura, assim como, fatores geométricos antes e depois da remoção do ligante. Os resultados da formulação contendo 20% de PEG e 80% de PS na composição do ligante são muito promissores. Mesmo após a remoção dos ligantes poliméricos estes tubos apresentaram bom alinhamento e cilindricidade e, sobretudo ausência de defeitos superficiais. / Ceramic membranes made from mixed ionic-electronic conductor (MIEC) perovskite oxides can selectively separate oxygen from air or other gas mixtures containing oxygen. These membranes are promising for use in many industrial processes that require a continuous supply of pure oxygen. The applications envisioned range from small-scale oxygen pumps for medical applications to large-scale usage in combustion processes, e.g. coal gasification. Another application of mixed-conducting oxide membranes can be found in the field of chemical processes, which require pure oxygen such as the oxidation of methane or other hydrocarbons to obtain synthesis gas (CO+H2), the so-called syngas. For these application, the flux rate is mainly influenced by the material, environmental conditions (partial pressure of the gas and temperature), and the geometrical factor (membrane area and thickness). In this work, the main aim was the development of thin tubular Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ perovskite membranes with a wall thickness of less then 300 μm. The influence on the quality of thermoplastic extruded tubes with different polymeric binder, e.g. polystyrene, polyethylene and polyethylene glycol was discussed in detail. Degradation of the polymer during compounding, as well as the roundness, straightness and deformation before and after debinding step were investigated for the different binder systems. The results of the formulation containing 20% of PEG and 80% of PS in the composition of the binder are very promising. Even after the removal of polymeric binders these tubes showed good straightness and roundness and especially the absence of defects.

Membranas cerâmicas formadas por óxidos com estrutura perovskita (condutividade mista iônica-eletrônica) podem seletivamente separar o oxigênio do ar ou de outras misturas gasosas contendo oxigênio. Estas membranas são promissoras para uso em muitos processos industriais que requerem contínuo fornecimento de oxigênio puro. As aplicações previstas variam desde bombas de oxigênio para aplicações médicas a uso em larga escala em processos de combustão (gaseificação de carvão). Outra aplicação é encontrada na área de processos químicos, que requerem oxigênio puro para obter gás de síntese (CO+H2). Para tais aplicações, a taxa de fluxo é principalmente influenciada pelo material, condições ambientes (pressão parcial do gás e temperatura) e pelo fator geométrico (área da membrana e espessura). Neste trabalho, o objetivo principal foi o desenvolvimento de membranas tubulares finas de perovskita (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ) com espessura de parede menor que 300μm. A influência na qualidade dos tubos extrudados foi avaliada em função de ligantes poliméricos (PS, PEBD e PEG). Foram investigados a degradação do polímero durante o processo de mistura, assim como, fatores geométricos antes e depois da remoção do ligante. Os resultados da formulação contendo 20% de PEG e 80% de PS na composição do ligante são muito promissores. Mesmo após a remoção dos ligantes poliméricos estes tubos apresentaram bom alinhamento e cilindricidade e, sobretudo ausência de defeitos superficiais. / Ceramic membranes made from mixed ionic-electronic conductor (MIEC) perovskite oxides can selectively separate oxygen from air or other gas mixtures containing oxygen. These membranes are promising for use in many industrial processes that require a continuous supply of pure oxygen. The applications envisioned range from small-scale oxygen pumps for medical applications to large-scale usage in combustion processes, e.g. coal gasification. Another application of mixed-conducting oxide membranes can be found in the field of chemical processes, which require pure oxygen such as the oxidation of methane or other hydrocarbons to obtain synthesis gas (CO+H2), the so-called syngas. For these application, the flux rate is mainly influenced by the material, environmental conditions (partial pressure of the gas and temperature), and the geometrical factor (membrane area and thickness). In this work, the main aim was the development of thin tubular Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ perovskite membranes with a wall thickness of less then 300 μm. The influence on the quality of thermoplastic extruded tubes with different polymeric binder, e.g. polystyrene, polyethylene and polyethylene glycol was discussed in detail. Degradation of the polymer during compounding, as well as the roundness, straightness and deformation before and after debinding step were investigated for the different binder systems. The results of the formulation containing 20% of PEG and 80% of PS in the composition of the binder are very promising. Even after the removal of polymeric binders these tubes showed good straightness and roundness and especially the absence of defects.

Membranas cerâmicas formadas por óxidos com estrutura perovskita (condutividade mista iônica-eletrônica) podem seletivamente separar o oxigênio do ar ou de outras misturas gasosas contendo oxigênio. Estas membranas são promissoras para uso em muitos processos industriais que requerem contínuo fornecimento de oxigênio puro. As aplicações previstas variam desde bombas de oxigênio para aplicações médicas a uso em larga escala em processos de combustão (gaseificação de carvão). Outra aplicação é encontrada na área de processos químicos, que requerem oxigênio puro para obter gás de síntese (CO+H2). Para tais aplicações, a taxa de fluxo é principalmente influenciada pelo material, condições ambientes (pressão parcial do gás e temperatura) e pelo fator geométrico (área da membrana e espessura). Neste trabalho, o objetivo principal foi o desenvolvimento de membranas tubulares finas de perovskita (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ) com espessura de parede menor que 300μm. A influência na qualidade dos tubos extrudados foi avaliada em função de ligantes poliméricos (PS, PEBD e PEG). Foram investigados a degradação do polímero durante o processo de mistura, assim como, fatores geométricos antes e depois da remoção do ligante. Os resultados da formulação contendo 20% de PEG e 80% de PS na composição do ligante são muito promissores. Mesmo após a remoção dos ligantes poliméricos estes tubos apresentaram bom alinhamento e cilindricidade e, sobretudo ausência de defeitos superficiais. / Ceramic membranes made from mixed ionic-electronic conductor (MIEC) perovskite oxides can selectively separate oxygen from air or other gas mixtures containing oxygen. These membranes are promising for use in many industrial processes that require a continuous supply of pure oxygen. The applications envisioned range from small-scale oxygen pumps for medical applications to large-scale usage in combustion processes, e.g. coal gasification. Another application of mixed-conducting oxide membranes can be found in the field of chemical processes, which require pure oxygen such as the oxidation of methane or other hydrocarbons to obtain synthesis gas (CO+H2), the so-called syngas. For these application, the flux rate is mainly influenced by the material, environmental conditions (partial pressure of the gas and temperature), and the geometrical factor (membrane area and thickness). In this work, the main aim was the development of thin tubular Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ perovskite membranes with a wall thickness of less then 300 μm. The influence on the quality of thermoplastic extruded tubes with different polymeric binder, e.g. polystyrene, polyethylene and polyethylene glycol was discussed in detail. Degradation of the polymer during compounding, as well as the roundness, straightness and deformation before and after debinding step were investigated for the different binder systems. The results of the formulation containing 20% of PEG and 80% of PS in the composition of the binder are very promising. Even after the removal of polymeric binders these tubes showed good straightness and roundness and especially the absence of defects.

A caracterização de membranas consiste na determinação de duas naturezas de parâmetros: a natureza morfológica (tamanho de poro, distribuição de tamanho de poro, espessura efetiva da pele e porosidade superficial) e a natureza funcional (fluxo permeado e capacidade seletiva). Essa caracterização é importante, pois permite a previsão da utilização ideal da membrana no processo de separação e possibilita a determinação prévia do comportamento e interação da membrana com a solução da alimentação, visto que no processo de fabricação de membranas não existem procedimentos padronizados e cada fabricante tem um modo de caracterização diferente para a classificação nominal de suas membranas fornecidas. O objetivo principal desse trabalho está em comprovar experimentalmente as características funcionais de três membranas de ultrafiltração (UF), com massas molares de corte (MMC) de 5 kDa (UF5), 20 kDa (UF20) e 50 kDa (UF50) e duas de microfiltração (MF), com tamanhos nominais de poros de 0,1 μm (MF1) e 0,4 μm (MF4). Para tanto, características relativas ao fluxo permeado, permeabilidade hidráulica, retenção da membrana, compactação e fouling foram avaliadas. O presente trabalho foi executado em três etapas distintas: (1) verificação experimental da compactação das membranas; (2) determinação do fluxo permeado e permeabilidade hidráulica (Lp) das membranas; e (3), avaliação da retenção e da tendência ao fouling das membranas. Os resultados de avaliação do fluxo permeado e consequente obtenção da Lp das membranas foram similares aos resultados encontrados em trabalhos anteriores com membranas de UF. Porém, a Lp não pode ser comparada com experimentos de outros autores, uma vez que cada membrana apresenta características diferentes entre si, tais como porosidade, tortuosidade, tamanho de poro, espessura da membrana. O fouling foi percebido durante os experimentos de retenção, à medida que as diferentes soluções de PEG eram recirculadas no sistema de filtração. Duas membranas de ultrafiltração (UF) foram caracterizadas quanto à capacidade seletiva. As membranas UF5 e UF20 apresentam MMC nominal de 5 kDa e 20 kDa, respectivamente. Os valores experimentais estimados par a MMC destas membranas foram de 10 kDa para UF5 e de 25 kDa para UF20. Este trabalho evidencia a importância de se caracterizar membranas no sentido de se determinar as melhores condições de operação e, desta forma, tornar os processos mais eficientes. / Membrane characterization leads to the determination of structural and morphological parameters (pore size, pore size distribution, effective film thickness and surface porosity) and, also the functional parameters (permeate flux and selectivity). The characterization of commercial membranes in membrane separation applications is important in order to understand better the transport through the membranes and have a more efficient process. Although membrane manufacturers give some information about the membranes, these information could not be very accurate because there is no standard characterization procedures and each manufacturer applies different techniques to characterize their membranes. The aim of this study is to determine experimentally the functional parameters of three different ultrafiltration (UF) membranes with molar weight cutoffs (MWCO) of 5 kDa (UF5), 20 kDa (UF20) and 50 kDa (UF50) and two microfiltration (MF) membranes, nominal pore size 0.1 μm (MF1) and 0.4 μm (MF4). The characteristics related to permeate flux, retention, hydraulic permeability, compaction and fouling phenomena were evaluated. The results of membrane hydraulic permeability obtained from permeate flux measurements in different transmembrane pressures were similar to previous work with the same UF membranes. However, the hydraulic permeability cannot be compared with experiments of other authors, since each study involves different membranes, with different characteristics, such as porosity, tortuosity, pore radius, membrane thickness. The fouling tendency of the membranes was observed during the experiments, when different PEG solutions were used. Two UF membranes were evaluated for the selective capacity experiment. The membranes UF5 and UF20 have a MWCO rated at 5 kDa and 20 kDa, respectively, informed by the manufacturer. The experimental values found, however, were 10 and 25 kDa for UF5 and UF20, respectively. This work shows the importance of membrane characterization in order to determine the best application and achieve a more efficient process.

A caracterização de membranas consiste na determinação de duas naturezas de parâmetros: a natureza morfológica (tamanho de poro, distribuição de tamanho de poro, espessura efetiva da pele e porosidade superficial) e a natureza funcional (fluxo permeado e capacidade seletiva). Essa caracterização é importante, pois permite a previsão da utilização ideal da membrana no processo de separação e possibilita a determinação prévia do comportamento e interação da membrana com a solução da alimentação, visto que no processo de fabricação de membranas não existem procedimentos padronizados e cada fabricante tem um modo de caracterização diferente para a classificação nominal de suas membranas fornecidas. O objetivo principal desse trabalho está em comprovar experimentalmente as características funcionais de três membranas de ultrafiltração (UF), com massas molares de corte (MMC) de 5 kDa (UF5), 20 kDa (UF20) e 50 kDa (UF50) e duas de microfiltração (MF), com tamanhos nominais de poros de 0,1 μm (MF1) e 0,4 μm (MF4). Para tanto, características relativas ao fluxo permeado, permeabilidade hidráulica, retenção da membrana, compactação e fouling foram avaliadas. O presente trabalho foi executado em três etapas distintas: (1) verificação experimental da compactação das membranas; (2) determinação do fluxo permeado e permeabilidade hidráulica (Lp) das membranas; e (3), avaliação da retenção e da tendência ao fouling das membranas. Os resultados de avaliação do fluxo permeado e consequente obtenção da Lp das membranas foram similares aos resultados encontrados em trabalhos anteriores com membranas de UF. Porém, a Lp não pode ser comparada com experimentos de outros autores, uma vez que cada membrana apresenta características diferentes entre si, tais como porosidade, tortuosidade, tamanho de poro, espessura da membrana. O fouling foi percebido durante os experimentos de retenção, à medida que as diferentes soluções de PEG eram recirculadas no sistema de filtração. Duas membranas de ultrafiltração (UF) foram caracterizadas quanto à capacidade seletiva. As membranas UF5 e UF20 apresentam MMC nominal de 5 kDa e 20 kDa, respectivamente. Os valores experimentais estimados par a MMC destas membranas foram de 10 kDa para UF5 e de 25 kDa para UF20. Este trabalho evidencia a importância de se caracterizar membranas no sentido de se determinar as melhores condições de operação e, desta forma, tornar os processos mais eficientes. / Membrane characterization leads to the determination of structural and morphological parameters (pore size, pore size distribution, effective film thickness and surface porosity) and, also the functional parameters (permeate flux and selectivity). The characterization of commercial membranes in membrane separation applications is important in order to understand better the transport through the membranes and have a more efficient process. Although membrane manufacturers give some information about the membranes, these information could not be very accurate because there is no standard characterization procedures and each manufacturer applies different techniques to characterize their membranes. The aim of this study is to determine experimentally the functional parameters of three different ultrafiltration (UF) membranes with molar weight cutoffs (MWCO) of 5 kDa (UF5), 20 kDa (UF20) and 50 kDa (UF50) and two microfiltration (MF) membranes, nominal pore size 0.1 μm (MF1) and 0.4 μm (MF4). The characteristics related to permeate flux, retention, hydraulic permeability, compaction and fouling phenomena were evaluated. The results of membrane hydraulic permeability obtained from permeate flux measurements in different transmembrane pressures were similar to previous work with the same UF membranes. However, the hydraulic permeability cannot be compared with experiments of other authors, since each study involves different membranes, with different characteristics, such as porosity, tortuosity, pore radius, membrane thickness. The fouling tendency of the membranes was observed during the experiments, when different PEG solutions were used. Two UF membranes were evaluated for the selective capacity experiment. The membranes UF5 and UF20 have a MWCO rated at 5 kDa and 20 kDa, respectively, informed by the manufacturer. The experimental values found, however, were 10 and 25 kDa for UF5 and UF20, respectively. This work shows the importance of membrane characterization in order to determine the best application and achieve a more efficient process.

A caracterização de membranas consiste na determinação de duas naturezas de parâmetros: a natureza morfológica (tamanho de poro, distribuição de tamanho de poro, espessura efetiva da pele e porosidade superficial) e a natureza funcional (fluxo permeado e capacidade seletiva). Essa caracterização é importante, pois permite a previsão da utilização ideal da membrana no processo de separação e possibilita a determinação prévia do comportamento e interação da membrana com a solução da alimentação, visto que no processo de fabricação de membranas não existem procedimentos padronizados e cada fabricante tem um modo de caracterização diferente para a classificação nominal de suas membranas fornecidas. O objetivo principal desse trabalho está em comprovar experimentalmente as características funcionais de três membranas de ultrafiltração (UF), com massas molares de corte (MMC) de 5 kDa (UF5), 20 kDa (UF20) e 50 kDa (UF50) e duas de microfiltração (MF), com tamanhos nominais de poros de 0,1 μm (MF1) e 0,4 μm (MF4). Para tanto, características relativas ao fluxo permeado, permeabilidade hidráulica, retenção da membrana, compactação e fouling foram avaliadas. O presente trabalho foi executado em três etapas distintas: (1) verificação experimental da compactação das membranas; (2) determinação do fluxo permeado e permeabilidade hidráulica (Lp) das membranas; e (3), avaliação da retenção e da tendência ao fouling das membranas. Os resultados de avaliação do fluxo permeado e consequente obtenção da Lp das membranas foram similares aos resultados encontrados em trabalhos anteriores com membranas de UF. Porém, a Lp não pode ser comparada com experimentos de outros autores, uma vez que cada membrana apresenta características diferentes entre si, tais como porosidade, tortuosidade, tamanho de poro, espessura da membrana. O fouling foi percebido durante os experimentos de retenção, à medida que as diferentes soluções de PEG eram recirculadas no sistema de filtração. Duas membranas de ultrafiltração (UF) foram caracterizadas quanto à capacidade seletiva. As membranas UF5 e UF20 apresentam MMC nominal de 5 kDa e 20 kDa, respectivamente. Os valores experimentais estimados par a MMC destas membranas foram de 10 kDa para UF5 e de 25 kDa para UF20. Este trabalho evidencia a importância de se caracterizar membranas no sentido de se determinar as melhores condições de operação e, desta forma, tornar os processos mais eficientes. / Membrane characterization leads to the determination of structural and morphological parameters (pore size, pore size distribution, effective film thickness and surface porosity) and, also the functional parameters (permeate flux and selectivity). The characterization of commercial membranes in membrane separation applications is important in order to understand better the transport through the membranes and have a more efficient process. Although membrane manufacturers give some information about the membranes, these information could not be very accurate because there is no standard characterization procedures and each manufacturer applies different techniques to characterize their membranes. The aim of this study is to determine experimentally the functional parameters of three different ultrafiltration (UF) membranes with molar weight cutoffs (MWCO) of 5 kDa (UF5), 20 kDa (UF20) and 50 kDa (UF50) and two microfiltration (MF) membranes, nominal pore size 0.1 μm (MF1) and 0.4 μm (MF4). The characteristics related to permeate flux, retention, hydraulic permeability, compaction and fouling phenomena were evaluated. The results of membrane hydraulic permeability obtained from permeate flux measurements in different transmembrane pressures were similar to previous work with the same UF membranes. However, the hydraulic permeability cannot be compared with experiments of other authors, since each study involves different membranes, with different characteristics, such as porosity, tortuosity, pore radius, membrane thickness. The fouling tendency of the membranes was observed during the experiments, when different PEG solutions were used. Two UF membranes were evaluated for the selective capacity experiment. The membranes UF5 and UF20 have a MWCO rated at 5 kDa and 20 kDa, respectively, informed by the manufacturer. The experimental values found, however, were 10 and 25 kDa for UF5 and UF20, respectively. This work shows the importance of membrane characterization in order to determine the best application and achieve a more efficient process.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-10-04T12:26:19Z No. of bitstreams: 1 FERNANDO ALMEIDA DA SILVA - TESE (PPGEP) 2009.pdf: 5875918 bytes, checksum: 93c5b10ae310f33943ce3b71854ef0bf (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-04T12:26:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FERNANDO ALMEIDA DA SILVA - TESE (PPGEP) 2009.pdf: 5875918 bytes, checksum: 93c5b10ae310f33943ce3b71854ef0bf (MD5) Previous issue date: 2009-11 / Atualmente os processos de separação por membranas estão em pleno desenvolvimento. As membranas de cerâmica encontram larga aplicação, principalmente em processos cujas temperaturas de trabalho são superiores à 250 ºC, como também, na separação de soluções em que o pH seja extremamente ácido, ou até mesmo quando houver presença de solventes orgânicos no sistema. Este trabalho consiste na preparação de membranas tubulares, obtidas a partir de duas composições contendo argila, caulim e óxido de alumínio, conformadas pelo processo de extrusão, utilizando diferentes temperaturas na etapa de sinterização para uso em microfiltração. Foi feita caracterização nas massas cerâmicas antes da sinterização, através dos ensaios de análise granulométrica, análise termogravimétrica, análise química e difração de raios X. As análises químicas mostraram altos teores de SiO2 e de Al2O3 e os ensaios de difração de raios X mostraram a presença de caulinita, quartzo e óxido de alumínio em ambas as composições. Foram feitos ensaios de difração de raios X nas massas após as sinterizações e os resultados mostraram a presença de mulita, óxido de alumínio e quartzo em todas as sinterizações efetuadas. Com relação ao tamanho e a distribuição destes poros nas membranas, os resultados das micrografias e de porosimetria por intrusão de mercúrio mostraram a presença de poros em todas as temperaturas de sinterização, com dimensões na faixa de microfiltração. Os ensaios de fluxo com escoamento tangencial utilizando água dessalinizada mostraram na composição 1 que as membranas sinterizadas a 1300 ºC obtiveram maior valor. Quanto a composição 2, o maior fluxo foi obtido pela membrana sinterizada a 1150 ºC. Os valores médios dos fluxos utilizando tanto a água dessalinizada quanto a água do açude Epitácio Pessoa, encontrados nas membranas sinterizadas nas temperaturas de 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC da composição 1 foram bem maiores que os observados nas membranas da composição 2. Com relação à aplicação das membranas no tratamento da água do açude Epitácio Pessoa, verificou-se que a turbidez da água foi reduzida de 7,1 UTN para valores próximos de zero para todas as membranas estudadas. / Membrane separation processes has experienced a great development recently. Ceramic membranes are applied in several processes, mainly in application in which temperatures are above 250 oC, as well in separation of solutions with extremely acid pH and even in systems with organic solvents. The aim of this work is to prepare tubular ceramic membranes by extrusion using two different compositions containing ball clays, kaolin and alumina and to fire in different sintering temperatures to be applied in microfiltration process. It was done the characterization of the ceramic compositions before sintering, particles size, thermogravimetrics analysis, chemicals analysis and X-ray diffraction. The chemicals analysis showed great amount of SiO2 and Al2O3 and the X-ray results showed the presence of kaolinite, quartz and alumina in the both compositions. The results from X-ray diffraction of the ceramic body after sintering showed the presence of mullite, alumina and quartz. The SEM images and the results from mercury porosimetry showed the presence of pores in all sintering temperatures and pore size in the range of microfiltration. The results from pure water flux, at steady state, showed that the membranes prepared with composition 1 and sintering at temperature of 1300 oC presented the highest value. To the membranes prepared with composition 2 and sintering temperature of 1150 oC presented the highest value. The pure water flux value of the membranes prepared with composition 1 was bigger than the membranes prepared with composition 2. In relation to the use of these membranes to water treatment from Epitácio Pessoa Dam, the results showed that the water turbidity decrease from 7.1 NTU to values close to zero for the all studied membranes.

Esta tese descreve o projeto e manufatura de membranas cerâmicas para separação de emulsões óleo/água. A escolha correta do material para a fabricação de membranas é importante para processos cujo desempenho depende da afinidade entre o meio poroso e o fluido. As condições de manufatura são também importantes, pois determinam a morfologia da membrana, que influencia fortemente as propriedades de transporte e conseqüentemente, a eficiência da membrana. Tendo isso em vista, este trabalho teve como objetivo desenvolver membranas cerâmicas tubulares (porosas e densas) por prensagem isostática, aplicáveis em processos de microfiltração para a separação de emulsões óleo-água. Para tanto, foi realizado um controle rigoroso do tamanho e distribuição dos poros através do uso da sacarose como agente porogênico. Suspensões de alumina e zircônia com sacarose de diferentes dimensões foram preparadas. Após esse processo a barbotina foi seca e granulada para obtenção do pó usado na conformação das membranas porosas ou como suporte das membranas densas. Para a manufatura das membranas densas, uma fina camada da suspensão foi depositada no núcleo do molde que foi preenchido com o pó (de alumina ou zircônia) e então submetido à co-prensagem (isostática) para obter simultaneamente o suporte e o filme de zircônia. Posteriormente, as membranas (porosas e densas) sofreram um tratamento térmico (para queima parcial da sacarose) e foram sinterizadas (a 1500°C). As membranas foram caracterizadas por MEV, porosimetria por intrusão de mercúrio, medidas de peso por imersão (para obtenção da porosidade e densidade aparente), ensaios de permeabilidade ao ar e à água. A caracterização morfológica das membranas constatou a formação de membranas porosas de alumina e de zircônia e de membranas densas: uma integral (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'ZR\'\'O IND.2\') e outra composta (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\'). A análise de porosimetria por intrusão de mercúrio apresentou tamanho médio de poros de 1,8 \'mü\'m para as membranas porosas e de 0,01-0,03 \'mü\'m e 1,8 \'mü\'m para as membranas densas, respectivamente para camada seletiva e suporte. Todas as membranas obtiveram porosidade total de aproximadamente 50%, que é considerada uma porosidade satisfatória. Os ensaios de permeabilidade ao ar demonstraram que as membranas de zircônia obtiveram maior permeabilidade do que as membranas de alumina. Já os ensaios de permeação de água, na condição de fluxo tangencial, mostraram que as membranas porosas apresentaram maior fluxo transmembrana do que as membranas densas, na mesma velocidade de escoamento. As membranas densas e porosas foram testadas na separação óleo-água e a maioria apresentou bom desempenho no processo de microfiltração e alta rejeição da fase óleo (entre 98 e 99%). Dentre essas membranas, a membrana densa composta (sinterizada a 1400°C) foi a que obteve melhor desempenho, pois apresentou fluxo permeado de aproximadamente 230 L/h.\'M POT.2\' e coeficiente de rejeição médio de 99,77%, os quais são valores desejáveis para a aplicação de membranas em processos industriais. / This thesis describes the project and manufacture of ceramic membranes for separation of oil/water emulsions. The selection of raw material for the manufacture of membranes is fundamental in processes whose performance depends on the affinity between the porous medium and the fluid. The manufacturing conditions are also important as they determine the membrane\'s morphology. Such morphology strongly influences the transport properties hence the membrane\'s performance. In this context, this work aims to develop tubular ceramic membranes (porous and asymmetric) by isostatic pressing which will be applicable to microfiltration processes for the oil-water emulsions separation. For such a purpose, a rigorous control was realized on the distribution and size of pores by use of the sucrose as porogenic agent. Suspensions of zirconia and alumina with sucrose of different dimensions were prepared. After that process, the slurry was dried and granulated to obtain the dust used in the manufacture of the membranes. For the manufacture of the supported zirconia membranes, a thin layer of suspension was deposited onto the nucleus of the mould, which was filled with the dust (of alumina or zirconia) and then, it was subjected to co-pressing (isostatic) to obtain the support and the zirconia top-layer, simultaneously. Next, the porous and supported membranes underwent a thermal treatment (for a partial burning of sucrose) and were sintered (until 1500°C). They were characterized by SEM, porosimetry by mercury intrusion, measurements of weight by immersion (for the determination of the apparent porosity and density) and water and air permeability tests. The morphologic characterization of membranes identified the formation of zirconia and alumina porous membranes, an asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' membrane (zirconia top-layer on the porous zirconia support) and a supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membrane. The results of porosimetry analysis by mercury intrusion presented a mean pore size of 1,8 \'mü\'m for the porous membranes and for the other membranes, 0,01-0,03 \'mü\'m and 1,8 \'mü\'m, respectively, for the top-layer and support. All membranes achieved a total porosity of about 50%, which is considered a satisfactory porosity. The air permeability tests showed that the zirconia membranes achieved higher permeability than the alumina membranes. Otherwise, the water permeation tests in cross-flow condition showed that the porous membranes (of alumina and zirconia) presented higher transmembrane flow than the asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' and supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membranes in the same flow average velocity. Such membranes were applied to oil-water emulsions separation and the most they presented good performance in the microfiltration process and high rejection of oil phase (between 98 and 99%). Among those membranes, the zirconia supported membrane (sintered until 1400°C) obtained the most performance because it showed transmembrana flow of about 230 L/h.\'M POT.2\' e rejection coefficient of 99,77%, which are appreciable values for the application of membranes in industrial processes.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-10-17T20:04:39Z No. of bitstreams: 1 DIVANIRA FERREIRA MAIA - TESE PPGEP 2006..pdf: 9063307 bytes, checksum: 4a8a7f017dc5bdd4ff2e4624de86ba98 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-17T20:04:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DIVANIRA FERREIRA MAIA - TESE PPGEP 2006..pdf: 9063307 bytes, checksum: 4a8a7f017dc5bdd4ff2e4624de86ba98 (MD5) Previous issue date: 2006-04-20 / A presença de óleo na água produzida durante a extração de petróleo, causa sérios problemas tanto ao ser descartada no meio ambiente como ao ser reinjetada nos poços produtores de petróleo. Os métodos convencionais utilizados na separação óleo/água não conseguem limpar toda a água com eficiência e baixo custo. Assim sendo, a busca por novas alternativas para solucionar este problema foi a motivação principal deste trabalho, sendo este parte integrante de uma série de pesquisas, financiadas pela Agência Nacional de Petróleo (ANP), que visa otimizar todas as etapas de produção de petróleo. Assim o objetivo deste trabalho foi produzir membranas cerâmicas visando a sua aplicação na separação óleo/água. Inicialmente foram obtidos dois tipos de membranas tubulares de alumina, denominadas tipo 1 e tipo 2, com diferentes tamanhos de poros de aproximadamente 0,9\im e 15,5nm e com eficiências mínimas de aproximadamente 97,5% e 93,8%, respectivamente. Porém a membrana tipo 2 apresentou um fluxo 40 vezes maior que a membrana tipo 1. Assim, visando melhorar mais ainda o desempenho da membrana tipo 2 depositou-se sobre a mesma uma camada fina de zircônia, de forma que pudesse melhorar sua eficiência sem alterar significativamente seu fluxo. O pó de zircônia foi obtido com sucesso pelo método Pechini. Com este método foi possível a obtenção da zircônia cristalina cujos tamanhos de aglomerados indicaram que este material pode ser usado na obtenção de membranas de ultrafiltração. Para obtenção da camada de zircônia foi preparada uma suspensão com a zircônia obtida e esta foi depositada na parte interna da membrana de alumina tipo 2 usando a técnica de deposição "dip coating". A camada de zircônia formada apresentou uma espessura de 23,9 ^im, um fluxo superior a membrana de alumina tipo 1 e uma eficiência mínima de 97,8%. Para todas as membranas obtidas, a concentração de óleo no permeado foi abaixo de 7 ppm, usando concentração máxima de 1000 ppm na alimentação. A água permeada através das membranas estudadas se enquadraram nas especificações para uso na reinjeção e no descarte. / The presence of oil in water produced during the petrol extraction can cause serious problems during the discharge in the environment as well as in the re-injection in the oil well. The conventional methods used to remove oil from water can not clean with efficiency and low cost. So, the search for new alternatives to solve this problem is the motivation of this work. This study is part of a series of researches supported by Agência Nacional de Petróleo (ANP), with the aim to optimize ali the steps in the oil production. The aim of this work is to make ceramic membrane to be applied in the oil/water separation. Firstly, it was prepared two types of tubular alumina membranes, called type I and type 2, with different pore size of approximately 0.9nm and 15, 48nm, respectively. The minimal efficiency of these membranes was approximately 97.5% and 93.8% for membrane type I and type 2, respectively. However, the membrane type 2 shown a flux 40 times greater than the membrane type 1. To improve the use of the membrane type 2 it was coating the internai surface with a thin layer of zircônia to get better efficiency without to decrease the flux. The zircônia powder was prepared with success by Pechini method and it was obtained a crystalline zircônia with agglomerates that indicate the use to make ultrafiltration membranes. To obtain the zircônia layer it was prepared dispersion and deposited in the internai surface of the membrane type 2 by dip coating technique. The zircônia layer presented a thickness of 23.88}im, a flux grater than the alumina type 1 and a minimal efficiency of 97.8%. Ali studied membrane presented oil content in permeate below 7ppm, using a maximum concentration of lOOOppm in the feed tank. The permeate water through the studied membranes is in agreement with the norms to be discharge in the environment or to be re-injected in the oil well. / PRH 25.

Esta tese descreve o projeto e manufatura de membranas cerâmicas para separação de emulsões óleo/água. A escolha correta do material para a fabricação de membranas é importante para processos cujo desempenho depende da afinidade entre o meio poroso e o fluido. As condições de manufatura são também importantes, pois determinam a morfologia da membrana, que influencia fortemente as propriedades de transporte e conseqüentemente, a eficiência da membrana. Tendo isso em vista, este trabalho teve como objetivo desenvolver membranas cerâmicas tubulares (porosas e densas) por prensagem isostática, aplicáveis em processos de microfiltração para a separação de emulsões óleo-água. Para tanto, foi realizado um controle rigoroso do tamanho e distribuição dos poros através do uso da sacarose como agente porogênico. Suspensões de alumina e zircônia com sacarose de diferentes dimensões foram preparadas. Após esse processo a barbotina foi seca e granulada para obtenção do pó usado na conformação das membranas porosas ou como suporte das membranas densas. Para a manufatura das membranas densas, uma fina camada da suspensão foi depositada no núcleo do molde que foi preenchido com o pó (de alumina ou zircônia) e então submetido à co-prensagem (isostática) para obter simultaneamente o suporte e o filme de zircônia. Posteriormente, as membranas (porosas e densas) sofreram um tratamento térmico (para queima parcial da sacarose) e foram sinterizadas (a 1500°C). As membranas foram caracterizadas por MEV, porosimetria por intrusão de mercúrio, medidas de peso por imersão (para obtenção da porosidade e densidade aparente), ensaios de permeabilidade ao ar e à água. A caracterização morfológica das membranas constatou a formação de membranas porosas de alumina e de zircônia e de membranas densas: uma integral (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'ZR\'\'O IND.2\') e outra composta (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\'). A análise de porosimetria por intrusão de mercúrio apresentou tamanho médio de poros de 1,8 \'mü\'m para as membranas porosas e de 0,01-0,03 \'mü\'m e 1,8 \'mü\'m para as membranas densas, respectivamente para camada seletiva e suporte. Todas as membranas obtiveram porosidade total de aproximadamente 50%, que é considerada uma porosidade satisfatória. Os ensaios de permeabilidade ao ar demonstraram que as membranas de zircônia obtiveram maior permeabilidade do que as membranas de alumina. Já os ensaios de permeação de água, na condição de fluxo tangencial, mostraram que as membranas porosas apresentaram maior fluxo transmembrana do que as membranas densas, na mesma velocidade de escoamento. As membranas densas e porosas foram testadas na separação óleo-água e a maioria apresentou bom desempenho no processo de microfiltração e alta rejeição da fase óleo (entre 98 e 99%). Dentre essas membranas, a membrana densa composta (sinterizada a 1400°C) foi a que obteve melhor desempenho, pois apresentou fluxo permeado de aproximadamente 230 L/h.\'M POT.2\' e coeficiente de rejeição médio de 99,77%, os quais são valores desejáveis para a aplicação de membranas em processos industriais. / This thesis describes the project and manufacture of ceramic membranes for separation of oil/water emulsions. The selection of raw material for the manufacture of membranes is fundamental in processes whose performance depends on the affinity between the porous medium and the fluid. The manufacturing conditions are also important as they determine the membrane\'s morphology. Such morphology strongly influences the transport properties hence the membrane\'s performance. In this context, this work aims to develop tubular ceramic membranes (porous and asymmetric) by isostatic pressing which will be applicable to microfiltration processes for the oil-water emulsions separation. For such a purpose, a rigorous control was realized on the distribution and size of pores by use of the sucrose as porogenic agent. Suspensions of zirconia and alumina with sucrose of different dimensions were prepared. After that process, the slurry was dried and granulated to obtain the dust used in the manufacture of the membranes. For the manufacture of the supported zirconia membranes, a thin layer of suspension was deposited onto the nucleus of the mould, which was filled with the dust (of alumina or zirconia) and then, it was subjected to co-pressing (isostatic) to obtain the support and the zirconia top-layer, simultaneously. Next, the porous and supported membranes underwent a thermal treatment (for a partial burning of sucrose) and were sintered (until 1500°C). They were characterized by SEM, porosimetry by mercury intrusion, measurements of weight by immersion (for the determination of the apparent porosity and density) and water and air permeability tests. The morphologic characterization of membranes identified the formation of zirconia and alumina porous membranes, an asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' membrane (zirconia top-layer on the porous zirconia support) and a supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membrane. The results of porosimetry analysis by mercury intrusion presented a mean pore size of 1,8 \'mü\'m for the porous membranes and for the other membranes, 0,01-0,03 \'mü\'m and 1,8 \'mü\'m, respectively, for the top-layer and support. All membranes achieved a total porosity of about 50%, which is considered a satisfactory porosity. The air permeability tests showed that the zirconia membranes achieved higher permeability than the alumina membranes. Otherwise, the water permeation tests in cross-flow condition showed that the porous membranes (of alumina and zirconia) presented higher transmembrane flow than the asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' and supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membranes in the same flow average velocity. Such membranes were applied to oil-water emulsions separation and the most they presented good performance in the microfiltration process and high rejection of oil phase (between 98 and 99%). Among those membranes, the zirconia supported membrane (sintered until 1400°C) obtained the most performance because it showed transmembrana flow of about 230 L/h.\'M POT.2\' e rejection coefficient of 99,77%, which are appreciable values for the application of membranes in industrial processes.