Os lixiviados de aterros sanitários, caracterizados pela sua composição complexa e altas concentrações de poluentes, são considerados um dos tipos de águas residuais mais difíceis de tratar. Nos últimos anos, as tecnologias de separação por membranas têm sido cada vez mais aplicadas para o tratamento avançado de lixiviados. Dentre elas, as membranas de nanofiltração (NF) têm demonstrado desempenho notável devido à sua alta rejeição de compostos orgânicos e sais divalentes ou multivalentes. No entanto, a obstrução e a obstrução da membrana continuam sendo desafios críticos para uma operação estável-de longo prazo. A incrustação não só reduz o fluxo da membrana e aumenta a pressão operacional, mas também aumenta os custos de substituição e o consumo de energia, afetando diretamente a viabilidade económica e a sustentabilidade. Os estudos tradicionais têm se concentrado principalmente em parâmetros operacionais macroscópicos, como pressão, temperatura e pH, enquanto a compreensão em nível micro da relação entre estruturas moleculares orgânicas e comportamento de incrustação permanece limitada. Para resolver isso, os pesquisadores introduziram parâmetros químicos quânticos e modelos quantitativos de relação estrutura-atividade (QSAR) para explorar mecanismos de incrustação em escala molecular, fornecendo novos caminhos para prever e controlar a incrustação de membranas.
Em termos de metodologia, o estudo concentrou-se nas membranas NF8040 descartadas de uma estação de tratamento de lixiviados em Xangai. A análise ICP confirmou que a incrustação foi causada principalmente pela deposição de íons Ca²⁺ e Fe³⁺. Experimentos de adsorção e coagulação foram conduzidos usando 15 corantes orgânicos típicos como poluentes modelo em sistemas CaCl₂ e FeCl₃ para determinar eficiências de remoção. Os resultados indicaram que o sistema FeCl₃ exibiu eficiência de remoção orgânica significativamente maior do que o sistema CaCl₂ (remoção média: 45,94% vs 5,50%), com diferenças marcantes entre as moléculas individuais, sugerindo que o impacto da estrutura orgânica na incrustação varia dependendo do fundo de íons inorgânicos. Cálculos químicos quânticos foram realizados para 45 parâmetros moleculares, incluindo energia molecular, cargas locais e energias HOMO/LUMO, e modelos QSAR foram estabelecidos usando regressão passo a passo para elucidar a influência da estrutura molecular na eficiência de remoção e contribuição de incrustação. Os modelos foram validados por meio de validação cruzada interna, validação externa e testes de randomização Y, demonstrando boa estabilidade e capacidade preditiva. Especificamente, no sistema CaCl₂, ELUMO (menor energia orbital molecular desocupada) foi identificado como o fator chave que influencia a eficiência da remoção orgânica, enquanto no sistema FeCl₃, EB3LYP (energia molecular total, refletindo o tamanho molecular) foi o fator dominante. Um total de 219 compostos orgânicos foram detectados no lixiviado, variando de pequenas moléculas (por exemplo, 1,4-dietil-2-piperazinona) a grandes complexos orgânico-inorgânicos (por exemplo, Tetracosametil-ciclododecasiloxano). Descobriu-se que essas moléculas são mais propensas à deposição e bloqueio ao interagir com o Ca²⁺, afetando significativamente o fluxo da membrana e a vida útil.
Com base nessas descobertas, os modelos QSAR podem prever o comportamento de diferentes poluentes orgânicos sob condições de incrustação, fornecendo uma ferramenta para avaliação da vida útil da membrana e mudando a abordagem de "limpeza após incrustação" reativa para "prevenção preditiva" proativa. Ao identificar as características moleculares propensas à interação com Ca²⁺ e Fe³⁺, o design futuro da membrana pode ser direcionado por meio de funcionalização de superfície, revestimentos hidrofílicos ou modificações anti{1}}incrustantes. Além disso, a integração de estratégias de pré-{3}}tratamento de coagulação ou adsorção pode reduzir a entrada de compostos orgânicos de alto-risco no sistema de membrana, mitigando a incrustação na fonte. A combinação adicional de parâmetros químicos quânticos com dados de sensores on-line poderia permitir o desenvolvimento de sistemas preditivos dinâmicos, facilitando a operação inteligente e adaptativa de membranas NF e promovendo um gerenciamento preciso e de baixo-carbono de sistemas de tratamento de lixiviados.
Em resumo, a incrustação da membrana de nanofiltração não é apenas influenciada pelos parâmetros operacionais convencionais, mas também está intimamente relacionada às estruturas moleculares orgânicas e aos principais íons incrustantes, como Ca²⁺ e Fe³⁺. A integração de parâmetros químicos quânticos e modelagem QSAR fornece insights sobre as contribuições de poluentes orgânicos complexos para a incrustação e oferece uma base científica para otimização de materiais de membrana, gerenciamento operacional e controle inteligente. Esta abordagem abre novas perspectivas para o tratamento sustentável e preciso de lixiviados de aterros sanitários.
