Carbon-Based Membrane Bioreactors for the Anaerobic Decolorization of Dyes

Abstract

La indústria tèxtil és la segona més contaminant d'aigua, produint una cinquena part de les aigües residuals a tot el món. Aquests efluents poden ser perjudicials tant per a la vida aquàtica com per a l'ecosistema aquàtic en conjunt. Les membranes amb base de carboni acoblades amb biodegradació anaeròia s'han demostrat com una tècnica única de tractament d'aigües residuals per a efluents amb colorants. Aquest bioreactor compacte actua com a suport del biofilm, mediador redox i nanofiltre simultàniament, augmentant així l'eficiència de la decoloració. En aquesta tesi, es van sintetitzar diverses membranes planes i tubulars amb base de carboni a partir de solucions de poliimida i òxid de grafè sobre un element ceràmic pla d’UF. Després, explora les prestacions dels bioreactors de membrana de carboni i d'òxid de grafè per eliminar diversos colorants azoics i no azoics. Independentment de la configuració del bioreactor de membrana (plana i tubular), la concentració d'alimentació inicial i el flux de permeat, els resultats revelen que la superfície conductora de la membrana d'òxid de grafè dona lloc a una millor eliminació de color que la membrana carbonitzada. A més, es va analitzar el biofilm que format sobre la membrana i es van identificar els microorganismes predominants. Aquests resultats fan evident que els fenòmens combinats als bioreactors basats en carboni donen lloc a un mètode de decoloració de colorants eficient, rendible i ecològic.

la industria textil es el segundo sector más contaminante del agua, ya que produce una quinta parte de las aguas residuales del mundo. Estos efluentes pueden ser perjudicial tanto para la vida acuática como para el ecosistema acuático en su conjunto. Las membranas de carbono acopladas con biodegradación anaerobia han demostrado ser una técnica única de tratamiento de aguas residuales para los efluentes con colorantes. Este biorreactor compacto actua simultáneamente como soporte de la biopelícula, mediador redox y nanofiltro, aumentando así la eficiencia en la decoloración del tinte. En esta tesis, se sintetizaron varias membranas planas y tubulares basadas en carbono mediante soluciones de poliimida Matrimid 5218 y óxido de grafeno sobre un elemento cerámico plano de UF. Posteriormente, se exploró la prestación de los biorreactores de membrana de carbono plana y tubular y de los biorreactores de membrana de óxido de grafeno para decolorar soluciones azoicas y otros colorantes estructuralmente diferentes. Independientemente de la configuración del biorreactor de membrana (plano y tubular), la concentración inicial de alimentación y el flujo de permeado, los resultados revelaron que la superficie conductora de la membrana de óxido de grafeno dio lugar a una mejor eliminación de color que la membrana de polímero carbonizado. Además, se analizó la biopelícula formada sobre la membrana durante la decoloración anaerobia de los colorantes azoicos y se identificaron los microorganismos predominantes. Estos resultados ponen de manifiesto que los fenómenos combinados en los biorreactores de carbono dan lugar a un método de decoloración de colorantes eficiente, rentable y ecológico.

Textile dyeing is the second-largest water polluter, producing one-fifth of worldwide wastewater. Dye-containing effluents can be harmful to both aquatic life and the aquatic ecosystem as a whole. Carbon-based membranes integrated with anaerobic biodegradation have been demonstrated to be as a unique wastewater treatment technique for dye effluents. The carbonaceous layer in compact bioreactor performed as biofilm support, redox mediator, and nano-filter concurrently, thereby increasing the dye decolorization efficiency. In this thesis several flat and tubular carbon-based membranes were synthesized from Matrimid 5218 polyimide and graphene oxide solutions over a UF ceramic flat element. Afterward, it explores the scope of flat and tubular ceramic-supported carbon membrane bioreactors and ceramic-supported graphene oxide membrane bioreactors to decolorize various structurally different azo and non-azo dyes. Regardless of the membrane bioreactor configuration (flat and tubular), initial feed concentration and permeate flux, the results revealed that the conductive surface of the graphene oxide (GO) membrane provides higher color removal of all dye solutions than carbonized membrane. Moreover, the biofilm formed over the membrane during the anaerobic decolorization of azo dyes was analyzed and the predominant microorganisms identified. These findings demonstrate that the combined phenomena in carbon-based bioreactors result in an efficient, cost-effective, and ecofriendly dye decolorization method.