Tese de Doutoramento


Título:Concentração de amostras de pequeno volume usando nanofiltração centrífuga e nanofiltração de escoamento tangencial
tese (inglês)download (14 MB)
apresentação (inglês)download (4 MB)

Resumo:
A presente tese estuda técnicas adequadas para a concentração de solutos de baixo peso molecular (inferior a 1000 g/mol) em amostras líquidas de pequeno volume (menos de 100 mL). Este é um tema relevante para aplicações biológicas e químicas, como a concentração de amostras para a detecção de drogas e toxinas em fluidos corporais e em amostras ambientais. O principal objetivo do presente trabalho é desenvolver técnicas e dispositivos capazes de efectuar a concentração das amostras de forma fácil, reprodutível e a baixo custo, com base em processos de separação por membranas com pressão como força motriz, de modo a que sejam obtidos factores de concentração (FC) acima de 10.
O trabalho foca-se em três temas principais: 1) o uso de filtração de escoamento tangencial à micro-escala (micro-TFF); 2) o desenvolvimento de um método híbrido computacional / semi-empírico para prever o desempenho da nanofiltração (NF); 3) a avaliação do desempenho da nanofiltração centrífuga (CNF). Por forma a provar a viabilidade destas técnicas, e ao mesmo tempo descartar os efeitos de fouling, apenas foram utilizadas soluções aquosas binárias de sais inorgânicos e moléculas orgânicas neutras de baixo peso molecular. Para cada soluto foram utilizadas soluções com duas pressões osmóticas diferentes (0,6 bar e 2,6 bar), enquanto a pressão transmembranar aplicada variou entre 7 e 42 bar.
Quando aplicadas à concentração das amostras com a pressão osmótica mais baixa, tanto a técnica micro-TFF como a CNF resultam em factores de concentração apreciáveis (FC entre 15 e 22). No entanto, nos casos em que são concentradas as amostras com maior pressão osmótica, são obtidos factores de concentração mais baixos (FC entre 5 e 10). Nestes cenários, a técnica CNF proporciona um melhor desempenho na concentração da amostra devido ao mecanismo de auto-limpeza que desestabiliza a camada de polarização de concentração (PC), ao contrário do que acontece na concentração por micro-TFF (a camada de PC não é desestabilizada), originando menor fluxo de permeado e menor qualidade do permeado.
Em dispositivos de micro-TFF, o fenómeno de polarização da concentração pode ser minimizado utilizando canais ou espaçadores projectados para o efeito. Por forma a agilizar o processo de seleção dos melhores canais e espaçadores, o método híbrido desenvolvido nesta tese pode ser usado, uma vez que o desvio das estimativas do desempenho da nanofiltração obtido pelo método híbrido é inferior a 10% face aos resultados obtidos pela simulação computacional do processo. A validação dos modelos de transporte de quantidade de movimento e massa, utilizados nas simulações numéricas, foi realizada comparando os resultados obtidos por estas com os correspondentes resultados experimentais obtidos com micro-PIV e interferometria holográfica.
O desempenho dos dispositivos de CNF também pode ser melhorado através da optimização da geometria da câmara de filtração do dispositivo centrífugo. Verificou-se que o valor do factor de concentração depende da altura da câmara de filtração, h e do ângulo entre a força centrífuga e a superfície da membrana, β. Na gama de valores testados destes dois parâmetros (h de 0,1 mm a 2,4 mm e β de -10° a + 10°), os valores óptimos foram h = 0,2 mm e β = -10°. Estes resultados sugerem que h deve ser suficientemente elevado para permitir uma mistura eficiente do líquido dentro da câmara de filtração mas também suficientemente baixo para que o volume da câmara seja pequeno. Simultaneamente, o ângulo β deve ser o mais negativo possível desde que a normal à superfície da membrana aponte radialmente na direcção positiva.
Em resumo, o objetivo de desenvolver métodos para a concentração de solutos de baixo PM em amostras líquidas de pequeno volume através de processos de separação por membranas com pressão como força motriz foi realizado com sucesso, sendo a técnica CNF aquela apresentou melhor desempenho.

Palavras-chave:
Concentração por nanofiltração, Nanofiltração centrífuga, Filtração por escoamento tangencial à microescala, Método híbrido computacional / semi-empírico, Micro-PIV, Interferometria holográfica