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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS

Conceitos para uma aplicação eficiente

José Carlos Mierzwa

Cubatão, 29 de outubro de 2007

EPUSP CIRRA

Encontro sobre Aplicações Ambientais de Processos Oxidativos Avançados

Introdução

Processo de separação por membranas:

– Podem separar sólidos imiscíveis e solutos que se encontram dissolvidos;

– A membrana atua como uma barreira seletiva:

– Permite a passagem de determinados componentes enquanto impede a passagem de outros.

Principais processos de separação por membranas

Microfiltração (MF);

Ultrafiltração (UF);

Nanofiltração (NF);

Osmose Reversa (OR);

Eletrodiálise e Eletrodiálise Reversa (ED/EDR).

Microscopia Eletrônica Microscopia Ótica Visível a Olho Nú

Íons Moléculas Macro Moléculas Micro Partículas Macro Partículas

Micrometros

Angstrons 10 102 103 104 105 106

10-3 10-2 10-1 1 10 100

Emulsão de Latex

Açucares Emulsão de Óleo

Negro de Fumo Pigmentos de Tintas

Endotoxinas (Pirogênios) Células de Leveduras

Íons Metálicos

Sais

Dissolvidos

Vírus Bactérias

Colóides Areia

Osmose Reversa

Troca Iônica

Ultrafiltração

Microfiltração

Coagulação/Floculação e Filtração

Nota: 1 Angstron = 10-10 metros = 10-4 micrometros

Evaporação

ProcessoForça motriz

Contaminante removido Permeado ou Purificado

Microfiltração Pressão Partículas. Solutos dissolvidos.

Ultrafiltração PressãoMoléculas orgânicas dealto peso molecular.

Moléculas de baixo peso

molecular e saisdissolvidos.

Nanofiltração PressãoMoléculas orgânicas de

baixo peso molecular eíons bivalentes.

Íons monovalentes.

OsmoseReversa

Pressão Todos os solutos. Praticamente água.

EletrodiáliseCorrenteelétrica

Solutos iônicos. Solutos não iônicos.

Processos de separação por membranas em função da força motriz utilizada na separação e tipos de contaminantes removidos

Materiais das membranas

As membranas podem ser orgânica ou inorgânicas;

Membranas poliméricas são mais amplamente utilizadas;

Membranas cerâmicas são restritas aos processos de microfiltração e ultrafiltração.

Fenômenos que afetam o desempenho dos sistemas de membranas

Formação de depósitos;

Polarização de concentrações;

Formação de biofilme.

Este fenômenos estão relacionados:

Pelas características da água ou efluente;

Mecanismos de transferência de massa;

Interação dos contaminantes com a membrana;

Condições de operação do sistema.

Formação de depósitos (“fouling”)

Refere-se à perda irreversível do fluxo de água através da membrana, ou a redução na taxa de transporte de contaminantes;

Está relacionado à interação dos contaminantes com a membrana;

O material das membranas tem grande influência sobre este fenômeno.

Membranas hidrofílicas e hidrofóbicas

Em função do material polimérico utilizado as membranas podem ser:

– Membranas hidrofílicas apresentam afinidade pela água;

– Membranas hidrofóbicas não tem afinidade pela água.

Do ponto de vista de tratamento de água e efluentes aquosos é ideal que a membrana seja hidrofílica.

Gota de água

Membrana Hidrofílica Membrana Hidrofóbica

- Ângulo de contato

Representação do ângulo de contato utilizado para

verificar o caráter das membranas

Depósitos (cont.)

O fenômeno de formação de depósito é complexo e difícil de descrever teoricamente;

A sua ocorrência é resultado do processo de deposição de:

– Partículas;

– Colóides;

– Emulsões;

– Suspensões;

– Macromoléculas;

– Sais;

Tendência de adsorção de proteínas nas membranas (Fonte Cheryan, 1998)

Métodos para reduzir a formação de depósitos

Em função da complexidade do fenômeno de formação não há uma descrição precisa dos métodos indicados para a sua redução;

Cada problema requer uma abordagem e tratamento específicos;

Dentre as opções disponíveis destacam-se:

– Pré-tratamento da corrente de alimentação;

– Seleção adequada da membrana;

– Tipo de módulo e condições de processo;

– Operações periódicas de limpeza.

Polarização de concentração

É uma complicação adicional nos processos de separação por membranas;

Este fenômeno resulta da separação de solutos maiores que o diâmetro dos poros das membranas;

Os compostos que são rejeitados pela membrana tendem a formar uma camada sobre a sua superfície;

Dependendo do tipo de soluto esta camada pode ser bastante viscosa ou se tornar um gel.

Representação do processo de polarização de concentração

Modelo para o transporte de massa em sistemas pressurizados

Modelo de resistências em série:

GDM RRR

PJ

Onde:• J = Fluxo de água através da membrana (m.s-1);

• PT = Pressão transmembrana (Pa);

• RM = Resistência ao fluxo de água pela membrana (Pa.s.m-1);

• RD = Resistência ao fluxo de água devido a depósitos (Pa.s.m-1);

• RG = Resistência ao fluxo de água devido a camada gel (Pa.s.m-1).

Apenas RG é função da pressão, portanto RD

pode ser incorporado na resistência da membrana;

RG pode ser expresso em função de um fator , em função da pressão:

RG = * P.

PR

PJ

M

'

Com a compactação da camada gel, f é influenciado pela pressão, ocorrendo uma perda no fluxo.

Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão - MF e UF

Métodos para aumentar o fluxo em sistemasde MF e UF

Reduzir a Polarização

de Concentração

Reduzir a pressão

Reduzir a concentração

na superfície

da membrana

Reduzir os sólidos

na alimentação

Utilizar baixo fator

de concentração

Promover a mistura

perpendicular

Prevenir concentração

sobre a superfície

da membrana

Aumentar a taxa de

retro transporte

Aumentar a

temperatura

Canais estreitos

e curtos

Altos gradientes

de velocidade

Representação da influência do fenômeno de polarização e

depósitos no fluxo através de membranas

Formação de biofilme

É um problema crítico nos processos de separação por membranas;

Refere-se à formação de uma camada viscosa sobre a superfície da membrana, resultante do acúmulo de microrganismos;

É um processo resultante dos mecanismos de adesão e crescimento.

Seção transversal de um biofilme formado sobre uma membrana de UF de polieteruréia (AWWA, 1996)

Seção transversal de um biofilme formado sobre uma membrana de OR de acetato de celulose (AWWA, 1996)

Membrana

Condicionamento da Membrana

Aproximação e fixação

Adesão

Crescimento

Biofilme Estabelecido

Bactéria

Processo de formação do biofilme

Representação do processo de formação de biofilme em uma membrana de OR (AWWA, 1996)

Principais eventos na formação de biofilme

Evento Tempo Descrição

Filme orgânico Seg. ou min. Condicionamento da membrana

Adesão física Seg. ou min. Fixação da bactéria pioneira

Síntese de SPE Min. ou horas Processo de adesão químico e aumento da estabilidade estrutural.

Proliferação Min. Ou horas Multiplicação celular utilizando nutrientes disponíveis.

Aprisionamento de partículas

Seg. ou min. Efeito secundário da ocorrência do biofilme.

Adesão secundária Dias ou sem. Refere-se ao processo de aumento do biofilme .

Desprendimento Dias ou sem. Perda de células e biomassa do biofilme.

Conseqüências para os processos de separação por membranas

Em qualquer situação a ocorrência de biofilme reduz o desempenho do sistema;

Os seus efeitos são mais pronunciados em sistemas de NF e OR;

A razão para isto é a pequena espessura e a fragilidade das membranas;

Nos sistemas de micro e ultrafiltração, pode acentuar a perda de fluxo pelo aprisionamento de partículas.

Membrana

Suporte

= molécula de soluto

Aumento na passagem de soluto devido a polarização

de concentração

Aumento na passagem de soluto devido a degradação

da membrana

Matriz de SPE

Ação hidrodinâmica

Direção do Fluxo

Conclusões:

Os processos de separação por membranas apresentam grande potencial para uso em tratamento de água e efluentes;

Podem ser utilizados em combinação com as tecnologias de oxidação fotoquímica avançadas;

Atualmente já se encontram em desenvolvimento estudos sobre a utilização de membranas associadas à reatores de oxidação fotoquímica;

Para o bom desempenho é necessário entender os fenômenos que influenciam o seu desempenho.

José Carlos Mierzwa

mierzwa@usp.br

EPUSPCIRRA

http://www.usp.br/cirra

Obrigado pela atenção!