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CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM DESSALINIZADOR DE ÁGUA POR
MEMBRANA POLIMÉRICA
Tiago Motta Novaes Lopes
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Orientadores: Carolina Palma Naveira-Cotta
José Roberto Brito de Souza
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2018
2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM DESSALINIZADOR DE ÁGUA POR
MEMBRANA POLIMÉRICA
Tiago Motta Novaes Lopes
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO
RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO
GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz
________________________________________________
Prof. Fernando Pereira Duda
________________________________________________
Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz
________________________________________________
D.Sc. José Roberto Brito de Souza
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
FEVEREIRO DE 2018
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“Embora ninguém possa voltar atrás e fazer um novo começo, qualquer um pode
começar agora e fazer um novo fim.”
Francisco Xavier
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AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, José e Márcia, e a toda minha família, por sempre me apoiarem
durante o meu caminho, não só durante a faculdade, mas desde o meu nascimento até os dias
de hoje.
Gostaria de agradecer aos professores Carolina Cotta, minha orientadora, e Renato Cotta
pela paciência, apoio e incentivo durante todo o projeto. Um agradecimento também ao doutor
José Roberto, meu coorientador, que não mediu esforços para me auxiliar sempre que precisei.
Aos colegas do LabMEMS, pela companhia e apoio durante todo tempo que estive
trabalhando no laboratório.
A todos os meus amigos da UFRJ. Um agradecimento especial aos amigos Ricardo,
Lucca, Henrique, Bernard e Simaan.
À Amanda Tejo pelo apoio e incentivo nos anos finais da minha graduação.
A todos que, de alguma forma passaram pela minha vida e contribuíram para o meu
crescimento, todos vocês foram especiais.
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Sumário
1. Introdução ..........................................................................................................................10
Contextualização ........................................................................................................10
Objetivos .....................................................................................................................12
Revisão Bibliográfica ..................................................................................................13
2. Processo de Dessalinização ..............................................................................................17
Módulo de Membrana .................................................................................................18
3. Metodologia .......................................................................................................................20
Procedimento Experimental ........................................................................................20
3.1.1. Coletor Solar ........................................................................................................22
3.1.2. Painel Fotovoltaico ..............................................................................................22
3.1.3. Trocador de Calor Tipo Banho .............................................................................23
3.1.4. Reservatórios de Águas Salobra e Destilada .......................................................24
3.1.5. Trocador de Calor Tipo Placas Paralelas .............................................................25
3.1.6. Tanque de Resfriamento .....................................................................................26
3.1.7. Computador e Sistema de Aquisição de Dados ...................................................26
3.1.8. Sensores .............................................................................................................27
3.1.9. Turbina para Medição de Vazão do Coletor Solar ................................................29
4. Testes ................................................................................................................................31
Testes com a Resistência Elétrica ..............................................................................31
4.1.1. A Influência da Vazão ..........................................................................................33
Testes com Coletor Solar............................................................................................34
5. Análise de Resultados .......................................................................................................35
Fluxo de Água Destilada .............................................................................................35
Eficiência Térmica e de Dessalinização do Módulo .....................................................35
5.2.1. Eficiência Térmica no Módulo de Membrana .......................................................35
5.2.2. Eficiência de Dessalinização ................................................................................38
6. Conclusão e Sugestões .....................................................................................................39
7. Referências Bibliográficas ..................................................................................................40
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I. LISTA DE FIGURAS Figura 1: Objetivos de Desenvolvimento Sustentável. - https://nacoesunidas.org/pos2015/ ......10
Figura 2: Módulo de membrana em espiral. Fonte: Hassan et al. (2008) ..................................14
Figura 3: Diagrama da montagem experimental de laboratório. Fonte: Fadi et al. (2016) .........15
Figura 4: Desenho esquemático e montagem do módulo de DMCD; (a) esquema do módulo, (b)
módulo montado Fonte: Khalifa et al. (2017) .............................................................................16
Figura 5: Transferência de Calor e Massa na Destilação por Membrana ..................................17
Figura 6: Módulo e membrana formada por fibras capilares......................................................18
Figura 7: Dessalinizador da PAM Membranas. Fonte: Cotta et al. (2017) .................................20
Figura 8: Esquema do Dessalinizador .......................................................................................21
Figura 9: Coletor Solar. Fonte: Cotta et al. (2017) .....................................................................22
Figura 10: Painel Fotovoltaico. Fonte: Cotta et al. (2017) ..........................................................23
Figura 11: Trocador de calor tipo banho com isolamento ..........................................................24
Figura 12: Reservatórios e sensor de nível ...............................................................................25
Figura 13: Trocador de calor do tipo placas ..............................................................................25
Figura 14: Tanque de Resfriamento ..........................................................................................26
Figura 15: Circuito elétrico e monitor do sistema de controle e aquisição de dados ..................27
Figura 16: Legenda dos sensores .............................................................................................28
Figura 17: Sensores de temperatura e pressão P10: pressão na entrada do módulo (água
destilada); P11: pressão na saída do módulo (água destilada); P20: pressão na entrada do
módulo (água salobra); P21: pressão na saída do módulo (água salobra); T10: temperatura na
entrada do módulo (água destilada); T11: temperatura na saída do módulo (água destilada); T20:
temperatura na entrada do módulo (água salobra); T21: temperatura na saída do módulo (água
salobra). ....................................................................................................................................29
Figura 18: Turbina para medição da vazão ...............................................................................30
Figura 19: Teste a temperatura de 75°C. Nível: volume no reservatório de água destilada; T10:
termopar na entrada do módulo (água destilada); T11: termopar na saída do módulo (água
destilada); T20: termopar na entrada do módulo (água salobra); T21: termopar na saída do
módulo (água salobra); T30: termopar no interior do trocador tipo banho. ................................32
Figura 20: Fluxo experimental de água destilada em função da temperatura da água salobra na
entrada do módulo da membrana Tfeed: Temperatura da corrente de água salobra (alimentação)
.................................................................................................................................................35
Figura 21: Balanço térmico no módulo de membrana ...............................................................36
II. LISTA DE TABELAS Tabela 1: Características físicas do módulo de membrana .......................................................18
Tabela 2: Resultados dos experimentos com temperaturas controladas pela resistência elétrica
e vazão de água salobra de 0,6m³/h .........................................................................................33
Tabela 3: Resultados para experimento a 75ºC e vazão de água salobra de 0,6m³/h ...............33
Tabela 4: Resultados para experimento a 75ºC e vazão de água salobra de 0,3m³/h ...............34
Tabela 5: Resultados com coletor solar ....................................................................................34
Tabela 6: Eficiência térmica calculada para os experimentos a 75°C ........................................37
Tabela 7: Eficiência de dessalinização ......................................................................................38
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III. LISTA DE SIGLAS DM Destilação por Membrana
DMAG Destilação por Membrana com Gás de Arraste
DMCD Destilação por Membrana de Contato Direto
DMLA Destilação por Membrana com Lacuna de Ar
DMV Destilação por Membrana à Vácuo
IVIG Instituto Virtual Internacional de Mudanças Globais
LabMEMS Laboratório de Nano e Microfluídica e Microssistemas
ONU Organização das Nações Unidas
UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro
IV. LISTA DE SÍMBOLOS
cp Coeficiente de calor específico a pressão constante
FV Fluxo de vapor que atravessa a membrana
M Parede da membrana de destilação
ṁ Vazão mássica
QAD
Calor recebido pela corrente de água destilada
QAS
Calor cedido pela corrente de água salina
QC Calor de condução pela membrana
QL Calor latente
Tfeed Temperatura da corrente de água quente salobra (alimentação)
Tm Temperatura média
ηt Eficiência térmica
ρágua Massa específica da água
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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM DESSALINIZADOR DE ÁGUA POR
MEMBRANA POLIMÉRICA
Tiago Motta Novaes Lopes
Fevereiro/2018
Orientadores: Carolina Palma Naveira-Cotta
José Roberto Brito de Souza
Curso: Engenharia Mecânica
O objetivo deste projeto é caracterizar experimentalmente um sistema de destilação de água por
membrana polimérica, na forma de fibras cilíndricas ocas, a partir da diferença de pressão de
vapor entre as duas correntes de água, uma salobra e a outra destilada. Para que ocorra a
dessalinização, promove-se um gradiente térmico entre as correntes de fluido, com auxílio de
coletor solar de tubos evacuados. Assim, a água salobra aquecida escoa ao longo da superfície
externa da membrana, enquanto a água destilada fria escoa pela parte interna e na direção
oposta. Assim, é possível promover o transporte do vapor proveniente da corrente de água
salobra aquecida através da membrana polimérica, sendo condensado na parte interna, junto à
água destilada. Esse processo permite que a água condensada seja livre de sais minerais e
microrganismos. O sistema solar de dessalinização utiliza, além do coletor solar para realizar o
aquecimento da água, painéis fotovoltaicos como fonte de energia elétrica. Neste trabalho de
caracterização, para facilitar a realização dos testes e suprimir a dependência da insolação no
processo, foi utilizada uma resistência elétrica para aquecer a água salobra. Foram realizados
experimentos com a corrente de água salobra nas temperaturas de 60°C, 65°C, 70°C e 75°C,
com ênfase nos resultados com a maior temperatura, desejável para maior rendimento do
processo.
Palavras-chave: Dessalinização solar, Destilação por membrana, Membranas poliméricas,
Transferência de calor e massa
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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Engineer.
EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION OF A WATER DESALINATION SYSTEM BY
POLYMERIC MEMBRANE
Tiago Motta Novaes Lopes
Fevereiro/2018
Advisors: Carolina Palma Naveira-Cotta
José Roberto Brito de Souza
Course: Mechanical Engineering
The objective of this work is to characterize experimentally a process of water distillation by
polymeric membrane, shaped by hollow cylindrical fibers, applying the concept of difference of
vapor pressure between two water flows, one brackish and other distilled. In order to turn possible
desalination, we must cause a thermal gradient between the fluid flows, using in this case, a solar
collector with evacuated tubes. That way, heated brackish water flows along the outer surface of
the membrane, while the distilled cold water streams through the inside in the opposite direction.
Thus, is possible to promote the transport of steam arising from the heated brackish water through
the polymer membrane, where it will be condensed in the inner part as distilled water. This
process frees saline water from minerals and microorganisms. The solar desalination system
uses, in addition to the solar collector to perform water heating, photovoltaic panels as electric
source. In this characterization work, in order to simplify the tests and suppress the dependence
of the sun, an electric resistance was used to heat the brackish water. Experiments were
performed with brackish water temperature of 60°C, 65°C, 70°C and 75°C, with greater focus on
the results with the higher temperature, which is desirable for a better process yield.
Keywords: Solar desalination, Membrane distillation, Polymer membranes, Heat and mass
transfer
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1. Introdução
Contextualização
Nas últimas décadas, o desenvolvimento industrial e o crescimento da população mundial
têm resultado em uma demanda maior por água doce. Ao mesmo tempo, a poluição e a redução
de fontes de água na superfície (rios e lagos), limitam o acesso aos recursos de água doce
disponíveis (Hassan et al., 2008). Neste contexto, surge uma demanda por fontes alternativas de
água, abrindo espaço para tecnologias que não se mostravam viáveis até então, como a
dessalinização de água salgada.
A ONU, Organização das Nações Unidas, reúne países voluntariamente com o objetivo
de trabalhar em prol da paz e do desenvolvimento mundial. Em 2015, os países participantes se
reuniram e adotaram um plano de ação com dezessete objetivos para transformar o mundo até
o ano de 2030 (Agenda 2030). São os novos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS),
baseados nos oito Objetivos de Desenvolvimento do Milênio (ODM), que haviam sido estipulados
no ano 2000. Os ODS são ilustrados na Figura 1 abaixo.
O processo estudado neste trabalho vai de encontro a um desses objetivos, o “Objetivo
6: Assegurar a disponibilidade e gestão sustentável de água e saneamento para todos”. Algumas
metas incluem a melhoria da qualidade da água e garantia do acesso de água potável e segura
para todos. O processo de dessalinização é um caminho para alcançar tais metas.
Figura 1: Objetivos de Desenvolvimento Sustentável. - https://nacoesunidas.org/pos2015/
O processo de destilação (ou dessalinização) de água por membrana (DM) começou a
ser estudado no final da década de 1960, entretanto não se tornou viável comercialmente na
época em virtude de não haver ainda membranas com as características necessárias,
principalmente a custos acessíveis. Essas características abrangem uma permeabilidade
insignificante para líquidos e componentes não voláteis, alta permeabilidade para a fase de
vapor, alta resistência ao fluxo de calor por condução, uma espessura de parede adequada
estruturalmente, baixa absorção de umidade e uma longa vida útil operando em contato com
soluções salinas (Alklaibi e Lior, 2004).
Água destilada é o estado puro da água, sem misturas com outras substâncias e sem
presença de microrganismos. Na prática, não conseguimos obter água totalmente destilada livre
de quaisquer substâncias ou sais, porém com o processo de destilação, é possível obter um
elevado grau de pureza.
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Destilação é o processo físico de separação de misturas homogêneas por meio da
ebulição ou evaporação das substâncias que compõem a mistura. No nosso caso, queremos
obter água destilada a partir de água salobra, que consiste na água que possui mais sais
dissolvidos que a água doce e menos que a água do mar.
Atualmente, quatro técnicas de dessalinização de água se mostram viáveis em larga
escala. Entretanto, devem ser consideradas as vantagens e desvantagens de acordo com a
disponibilidade de recursos, energia e capital, o resultado esperado, a localização e a frequência
da demanda de água. As técnicas são: destilação simples (em fases múltiplas), congelamento,
osmose reversa e destilação por membrana através da pressão de vapor de água.
A destilação simples é um método para separar um componente sólido que se encontra
dissolvido em um líquido. Assim, realizamos a ebulição da água com passagem para o estado
de vapor e posterior condensação. Industrialmente, o processo ebulição-condensação se repete
por diversos estágios, conferindo elevado grau de pureza
O congelamento utiliza o conceito que o ponto de congelamento de uma substância pura
é sempre maior que o da solução. Quando a temperatura da mistura salobra diminui e começa
a congelar, o gelo formado é composto apenas de água destilada, separando assim, a água dos
sais.
A osmose reversa é um processo que ocorre quando um solvente é separado de um
soluto utilizando uma membrana permeável ao solvente e impermeável ao soluto. Uma grande
pressão é aplicada à mistura possibilitando um fluxo contrário ao natural da osmose.
A destilação por membrana através de gradiente térmico, se utiliza da diferença de
pressão de vapor gerada pelo gradiente de temperatura entre as correntes de água quente e fria,
processo que será detalhado neste trabalho.
Os sistemas de DM podem ser classificados em quatro configurações, de acordo com a
estrutura do lado frio da membrana: (1) destilação por membrana com contato direto (DMCD),
onde a membrana fica em contato direto apenas com fases líquidas, água salina de um lado e
doce do outro; (2) destilação por membrana à vácuo (DMV), onde a fase vapor é extraída através
de sucção à vácuo do líquido através da membrana e condensada em outro recipiente, se
necessário; (3) destilação por membrana com lacuna de ar (DMLA), onde uma lacuna de ar é
interposta entre a membrana e a superfície de condensação; e (4) destilação por membrana com
gás de arraste (DMGA), onde um gás de remoção é utilizado para a retirada do vapor produzido,
ao invés de vácuo como na DMV.
Como na DMCD e na DMLA não é necessária a utilização de um condensador externo,
esses casos são mais indicados para aplicações onde a água desempenha o papel de permeado.
Por outro lado, a DMV e a DMGA são usadas tipicamente nos casos em que é necessária a
remoção de gases dissolvidos ou voláteis orgânicos de soluções aquosas.
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Objetivos
O objetivo deste trabalho é realizar a caracterização experimental de um sistema de
dessalinização de água através da utilização de uma membrana de destilação de contato direto.
Para isso, será estudada e analisada a influência de certas variáveis no método de destilação de
água por membrana polimérica, como as temperaturas das correntes de água salobra e
destilada, e as vazões utilizadas nas correntes de água salobra e destilada. Será analisada
também a potência consumida no processo e as eventuais perdas de energia (especialmente
calor), visando caracterizar o processo e obter a melhor eficiência na produção de água destilada.
Este estudo faz parte do projeto de cooperação internacional, do edital RCUK-CONFAP
Research Partnerships Call, patrocinado pelo UK Newton Fund/FAPERJ, com o título "Integrating
water cooled concentrated photovoltaics with waste heat reuse to address the challenges in
energy, environment, food and water nexus", com a colaboração da University College London,
Reino Unido, o NIDES/UFRJ (Núcleo Interdisciplinar de Desenvolvimento Social) e a POLI &
COPPE / UFRJ, Brasil. A experiência da equipe da UFRJ em transferência de calor e massa é
complementar à expertise da equipe da UCL. Além da caracterização experimental do
equipamento construído com suporte da FAPERJ, outros estudos encontram-se em andamento
na análise teórica-experimental das membranas poliméricas e do processo de dessalinização,
bem como de microdispositivos térmicos para recuperação de calor rejeitado em processos.
A utilização de um destilador por membrana autônomo em lugares com acesso somente
à água salobra, como é o caso de algumas regiões do Brasil, pode ser a solução para o problema
de falta de água e alimentos.
Nesses lugares, a água que a população tem acesso, extraída de poços artesianos, é
salobra e imprópria para consumo, utilização doméstica ou até para agricultura regular. Assim, a
utilização do dessalinizador permitiria produzir água destilada para ser usada na irrigação de
alimentos, uso doméstico (como cozinhar e tomar banho) e até para consumo próprio após um
tratamento para restaurar parte dos sais perdidos na destilação.
Além disso, o processo de dessalinização por membrana pode ser muito útil se utilizado
em embarcações marítimas. O fato de ter uma fonte infinita de água salgada representa uma
vantagem muito grande, podendo assim, fazer uso dela juntamente com o calor rejeitado do
motor da embarcação para produzir água destilada e abastecer o suprimento de água doce da
embarcação. Com o processo de dessalinização, temos como produto a água destilada. Como
rejeito desse processo, teríamos água aquecida com uma concentração maior de sal, o que não
representa um problema, uma vez que pode ser despejada de volta no mar.
Outra aplicação interessante seria utilizar o processo de dessalinização para
aproveitar o calor que é rejeitado de usinas térmicas convencionais ou termo-nucleares, já que
esse calor precisa ser dissipado e se gastam recursos e equipamentos para tal. Se utilizado no
processo de dessalinização de água, a energia que antes representava um gasto para a usina,
pode ser reaproveitada, aumentando a eficiência global do processo e gerando fonte de renda
extra.
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Na usina nuclear de Angra II, de acordo com a Eletronuclear, a temperatura da água após
o aquecimento no reator chega a aproximadamente 300°C, com uma vazão de 7400 ton/h. Se
conseguirmos aproveitar parte desse calor que será rejeitado, seria possível alimentar diversos
sistemas de dessalinização, gerando água destilada e reduzindo custos para resfriar a água que
será retornada ao mar.
Revisão Bibliográfica
Nos últimos anos, em razão da maior dificuldade de se obter água limpa para atender as
necessidades de populações em diversas regiões do planeta e em virtude do desenvolvimento
de novos materiais e técnicas que possibilitam a produção de água doce a partir de água salgada,
cada vez mais protótipos e equipamentos estão sendo testados, com diferentes configurações
de membranas, para realizar procedimentos de dessalinização.
Kimura e Nakao (1987), Banat (1994), e Hsu et al. (2002) testaram um módulo onde a
membrana foi inserida entre dois compartimentos cilíndricos (perpendiculares ao eixo do
cilindro), com a corrente quente fluindo em um compartimento e a fria em outro. As dimensões
dos compartimentos foram diferentes para cada estudo realizado, onde o comprimento variou
entre 12 a 15 cm e o diâmetro entre 5 a 8 cm.
Ohta et al. (1990) utilizaram um sistema de dessalinização de contato direto com módulos
de placas e membrana semipermeável. Água salobra aquecida (40 a 60⁰C) fluía de cima para
baixo em um dos lados da superfície da membrana retangular, enquanto água fresca a baixas
temperaturas (20 a 40⁰C) fluía na direção oposta pela outra superfície da membrana. O vapor
proveniente da água salobra aquecida permeava através da membrana até ser condensado no
lado frio. Neste teste, 24 módulos como esse foram alinhados perpendicularmente. As dimensões
de cada módulo era de 840mm de altura, 390mm de largura e 80mm de profundidade, enquanto
a espessura da membrana era de 0,25mm.
Hassan et al. (2008) produziram um dessalinizador por membrana autônomo, alimentado
por energia solar. O objetivo do projeto foi desenvolver um sistema de dessalinização autônomo
e de baixa manutenção para regiões áridas ou semiáridas, com escassez de água potável e
muita disponibilidade de irradiação solar. No projeto é utilizado um módulo de membrana em
espiral, como na Figura 2, e um processo de reutilização de calor para maior eficiência do
sistema.
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O processo de recuperação de calor interno proposto por Hassan et al. possui as
seguintes características. A membrana usada opera entre as temperaturas de 60 a 90⁰C,
utilizando como fonte quente um coletor solar. A própria água salgada funciona como fonte fria,
uma vez que é bombeada do tanque de alimentação ao condensador da membrana, sendo pré-
aquecida antes de seguir para o coletor solar onde atingirá sua maior temperatura no processo.
Após absorver calor no coletor, a água salgada aquecida retorna ao módulo de membranas,
dessa vez pelo lado do evaporador, onde parte do vapor atravessa a membrana e se torna água
destilada. No fim, a água salgada mais concentrada retorna ao tanque de alimentação e a água
destilada é coletada em um tanque separado.
Guoqiang et al. (2014) realizaram testes com DM para duas configurações, membrana
de contato direto e à vácuo. Eles optaram por essas configurações pois, segundo eles, a
membrana por contato direto é a mais estudada e com a operação mais simples, enquanto a
destilação por membrana a vácuo é a menos estudada e requer uma perícia maior para realizar
a manutenção do sistema. O módulo de membrana utilizado no trabalho de Guoqiang et al. foi
composto por uma casca cilíndrica de polipropileno (PP) com 26 fibras ocas porosas hidrofóbicas
de fluoreto de polivinilideno (PVDF) no interior, regularmente espaçadas pelo volume. As fibras
possuíam um diâmetro externo de 1,46mm e espessura de 0,24mm, enquanto a casca possuía
um diâmetro interno de 0,012m e comprimento de 0,22m. Um modelo matemático foi
desenvolvido para simular a performance dos processos de DMCD e DMV, sendo posteriormente
validado por comparação com os resultados experimentais.
Fadi et al. (2016) também formularam um modelo matemático dinâmico para o processo
de DMCD. A validação do modelo que descreve o mecanismo de troca de calor e massa dentro
do módulo de membrana foi realizada através da correlação com os experimentos desenvolvidos.
1. Entrada Condensador
2. Saída Condensador
3. Entrada Evaporador
4. Saída Evaporador
5. Saída do destilado
Canal de Condensação
Membrana Hidrofóbica
Canal de Evaporação
Figura 2: Módulo de membrana em espiral. Fonte: Hassan et al. (2008)
15
Foi projetado um sistema experimental de laboratório totalmente autônomo na Universidade de
Ciências e Tecnologia King Abdullah (KAUST). Um esquema da montagem experimental pode
ser visto na Figura 3.
No trabalho de Fadi et al., um módulo de membrana de folha plana com área ativa de
0,005m², com dimensões do canal de fluxo iguais a 0,1m x 0,05m x 0,002m foi projetado
utilizando metacrilato de polimetil (PMMA). A membrana utilizada é um material compósito
formado por uma camada ativa de politetrafluoroetileno (PTFE) e uma camada suporte de
polipropileno (PP). No sistema, água preaquecida circula pelo lado da corrente de alimentação
da membrana, enquanto água deionizada circula pelo outro lado da membrana em um modo de
contracorrente. As temperaturas das correntes de alimentação e do permeado foram controladas
através de termorreguladores, um equipamento elétrico utilizado para realizar o controle da
temperatura do sistema. Água do mar fresca foi usada em cada experimento. O permeado
gerado através do processo de DM resulta em um sobre fluxo e transborda através de uma saída
de permeado no tanque de refrigeração. O permeado coletado então, fica separado em um outro
reservatório, sendo seu peso, continuamente monitorado por uma balança. A pressão,
temperatura e vazão também são continuamente monitorados por sensores nas entradas e
saídas do módulo para ambas correntes.
Khalifa et al. (2017) estudou a influência de diferentes parâmetros que alteram a
performance de um processo de destilação por contato direto. Para a realização dos
experimentos foi utilizado um módulo composto por uma membrana plana de politetrafluoretileno
(PTFE), com área efetiva de 6,192E-2m² e uma rede de suporte. A rede de suporte, além de
Aquecedor elétrico
Bomba (alimentação)
Bomba (permeado)
Refrigerador elétrico
Alimentação Permeado
Balança eletrônica
Permeado produzido
Módulo de
membrana
Figura 3: Diagrama da montagem experimental de laboratório. Fonte: Fadi et al. (2016)
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sustentar mecanicamente a membrana, tem a finalidade de elevar a turbulência no canal de
alimentação, para melhorar o fluxo de permeação através da membrana. Na Figura 4 pode ser
visto um esquema do modelo proposto e o módulo montado. As placas por onde passam as
correntes de alimentação e permeado possuem cada uma 160mm de comprimento, 160mm de
largura e 25mm de espessura. As correntes de alimentação e permeado atuam em
contracorrente. Cada corrente de água entra por um lado do módulo, é distribuída entre os três
canais mostrados na Figura 4b e em seguida coletado na saída, do lado oposto. Um aquecedor
elétrico foi utilizado para variar a temperatura da corrente de água salobra entre 40 e 90⁰C e um
refrigerador elétrico para variar a temperatura do permeado entre 5 e 25⁰C. A salinidade usada
para a corrente de alimentação foi de 2g/L.
Compartimento
quente Rede de suporte
Membrana Compartimento frio
Alimentação
Permeado
Figura 4: Desenho esquemático e montagem do módulo de DMCD; (a) esquema do módulo, (b) módulo montado Fonte: Khalifa et al. (2017)
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2. Processo de Dessalinização
A destilação por membrana (DM), como dito anteriormente, é um processo relativamente
recente na literatura. Diferente da osmose reversa, na DM utilizamos membranas hidrofóbicas.
Isso significa que até certas pressões a membrana não pode ser molhada por líquidos. Assim,
períodos de secagem não danificam a membrana, podendo ser operada de forma intermitente.
O conceito básico na DM é utilizar um líquido mais quente em um dos lados da membrana
e um líquido mais frio no outro lado. A diferença de temperatura entre os líquidos gera uma
diferença de pressão de vapor, permitindo assim, que o vapor de água atravesse a membrana,
condensando do outro lado. Assim, se tivermos uma corrente de água quente salobra de um lado
e uma corrente de água fria destilada do outro, a maior pressão de vapor do lado quente
possibilita o transporte do vapor de água através da membrana, produzindo água destilada no
lado mais frio.
A Figura 5 exemplifica o processo descrito anteriormente, onde temos uma corrente de
água quente salina na parte externa do capilar da membrana e uma corrente de água fria
destilada na parte interna, formando um gradiente de temperatura (T1 > T2). A figura ilustra o
processo de transferência de calor que ocorre na parede do capilar. Uma parte do calor é
transferida por condução pela parede (calor sensível). O restante, é fornecido pelo fluxo de vapor
que atravessa a membrana, caracterizado como calor latente.
Figura 5: Transferência de Calor e Massa na Destilação por Membrana
Corrente água quente salina
Corrente água fria destilada
Q AS
Q AD
Q C
F V
T1
T
2
QAS
: Calor cedido pela corrente de água salina
QAD
: Calor recebido pela corrente de água destilada
QC: Calor transferido por condução pela membrana
FV: Fluxo de vapor que atravessa a membrana
M: Parede da membrana de destilação
M
18
Módulo de Membrana
O módulo de membrana polimérica é a parte do equipamento que torna possível o
processo de destilação da água salgada. A membrana é composta por uma casca cilíndrica
externa que envolve 350 fibras capilares em seu interior, dentro dos quais escoa a corrente de
água destilada fria. A corrente de água quente salobra flui, em sentido contrário, por fora dos
tubos capilares. Envolvendo a membrana temos uma carcaça preta flangeada, por onde
conectamos as entradas e saídas do módulo de membranas. Podemos ver o módulo e a
membrana com seus capilares na Figura 6.
Figura 6: Módulo e membrana formada por fibras capilares
A membrana é fabricada em polipropileno, tanto os capilares quanto a carcaça. Esse
material confere grande resistência química ao equipamento. O diâmetro interno do casco é de
0,1m, seu comprimento útil é de 0,45m e o volume interno é de 3,53x10-3m³. Os capilares
possuem um diâmetro interno de 1,8mm e seus poros possuem diâmetro de 0,2μm. As
informações físicas da membrana estão reunidas na tabela abaixo (Tabela 1).
Tabela 1: Características físicas do módulo de membrana
Módulo MD 070 CP 2L
Área da Membrana 0,9m²
Material da Membrana Polipropileno
Diâmetro Interno do Capilar 1,8mm
Diâmetro do Poro 0,2μm
Material da Carcaça Polipropileno
19
Algumas vantagens do processo de DM são:
• O processo ocorre usualmente em baixas temperaturas (50 – 90 °C), o que possibilita a
utilização de fontes de calor de baixa exergia, como com o coletor solar aqui adotado,
assim como calor rejeitado de diferentes processos, como de motores a combustão
estacionários.
• Não é necessário nenhum pré-tratamento químico na água, apenas uma pré-filtragem.
• É possível operar de forma intermitente. A secagem da membrana não representa um
problema, uma vez que ela é hidrofóbica.
• O modulo de membrana trabalha a pressões bem próximas à pressão atmosférica.
• A salinidade da água não representa praticamente nenhuma influência na eficiência do
processo.
• A condutividade da água produzida no processo varia em torno de 10 a 100μS/cm como
vamos ver mais a frente.
20
3. Metodologia
O estudo da influência dos parâmetros da dessalinização foi realizado através da variação
da temperatura e da vazão da corrente de água salobra. Neste capítulo serão apresentadas cada
etapa do processo de dessalinização, desde o método de aquecimento da água salobra até a
produção final de água destilada. Os experimentos e caracterizações foram realizados no
Laboratório de Nano e Micro Fluídica e Microssistemas (LabMEMS) e no Instituto Virtual
Internacional de Mudanças Climáticas (IVIG) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).
O equipamento projetado e fabricado pela PAM Membranas, empresa incubada na UFRJ com
tecnologia do PEQ/COPPE, e utilizado para os experimentos, pode ser visualizado na Figura 7
Figura 7: Dessalinizador da PAM Membranas. Fonte: Cotta et al. (2017)
Procedimento Experimental
O procedimento experimental de dessalinização é dividido em algumas etapas. O
desenho esquemático está representado pela Figura 8. O coletor solar é utilizado para aquecer
um reservatório de água doce. Essa água quente é bombeada do reservatório do coletor solar
para o trocador de calor cilíndrico tipo banho, com o objetivo de aquecer a água salobra, sem
contato direto. A água salobra é bombeada de seu reservatório para o módulo de membrana,
21
escoando na direção vertical, no sentido de baixo para cima, retornando ao reservatório após
esse processo.
Figura 8: Esquema do Dessalinizador
Enquanto isso, a água destilada escoa na mesma direção da água salobra e em sentido
oposto, de cima para baixo. Antes da água destilada passar pela membrana, ela é bombeada de
seu reservatório até o trocador de calor do tipo placas para que ocorra um resfriamento da água
destilada, já que ela absorve calor da corrente de água salobra quente. Esse procedimento visa
manter a temperatura da água destilada próxima à temperatura ambiente para que seja
preservado o gradiente de temperatura entre a água destilada e salobra. O tanque de
resfriamento contém água na temperatura ambiente, que é bombeada para o trocador de calor
tipo placas para absorver o calor da água destilada. Assim, a água do coletor solar funciona como
fonte quente e a do tanque de resfriamento opera como fonte fria.
É importante ressaltar que todos os processos ocorrem isoladamente, ou seja, são quatro
ciclos de água fechados, independentes entre si:
• água doce no coletor solar;
• água salobra que passa pela parte externa dos capilares na membrana;
• água destilada na parte interna dos capilares e;
• água doce no tanque utilizado para resfriamento.
Foram realizados experimentos com uma resistência elétrica imersa no trocador de calor
(banho) para controle térmico, e assim manter a temperatura de entrada no módulo da água
salobra constante em cada experimento, já que o sol é uma fonte menos estável de energia em
virtude do movimento da Terra e de condições climáticas. O sistema, contemplado pelas bombas
hidráulicas, computador com sistema de aquisição de dados e resistência elétrica, é alimentado
eletricamente pela rede de energia do IVIG ou opcionalmente por 5 painéis fotovoltaicos que
serão detalhados posteriormente.
Coletor Solar Tanque de
Resfriamento
Água Salobra
Trocador de Calor (Banho)
Água Destilada
Trocador de Calor (Placas)
Membrana
22
3.1.1. Coletor Solar
O coletor solar utilizado no sistema é da marca ASOL Aquecedor Solar, MG, do tipo com
tubos captadores de cobre inseridos dentro de tubos de vidro a vácuo. Possui um reservatório
de 230 litros e um tanque de reposição de 50 litros. A bomba instalada neste circuito para realizar
o escoamento da água aquecida no coletor solar é a INOVA GP-100C, com vazão máxima de
50L/min e head máximo de 6m. O sistema está instalado sobre a laje do compartimento do diesel-
gerador de emergência do IVIG, como mostra a Figura 9 abaixo.
Figura 9: Coletor Solar. Fonte: Cotta et al. (2017)
3.1.2. Painel Fotovoltaico
Foram instalados 5 painéis solares também sobre o compartimento do diesel-gerador de
emergência do IVIG, como mostrado na Figura 10. São painéis KYOCERA 210 Wp, capazes de
produzir em média 1kWh por dia cada um, conectados à rede por meio de um inversor
fotovoltaico SOLARTEC PV 3. O inversor requer no mínimo 5 módulos conectados em série para
operar, proporcionando uma autonomia de 5 horas por dia ao sistema de dessalinização. A área
necessária para a instalação destes módulos é da ordem de 10 metros quadrados.
23
Figura 10: Painel Fotovoltaico. Fonte: Cotta et al. (2017)
3.1.3. Trocador de Calor Tipo Banho
O trocador de calor do tipo banho agitado em contracorrente (Kern, 1965), é ilustrado na
Figura 11. Na nossa aplicação, o agitador e o motor elétrico foram retirados, por não serem
necessários. Foi colocado um isolante térmico externo de polipropileno para reduzir as perdas
para o ambiente. O trocador é dotado de uma serpentina interna por onde flui a água salobra. A
água aquecida proveniente do coletor solar flui pelo casco. Este sistema permite que ocorra a
troca de calor entre a água doce proveniente do coletor solar e a água salobra que será
conduzida para o módulo da membrana.
24
Figura 11: Trocador de calor tipo banho com isolamento
3.1.4. Reservatórios de Águas Salobra e Destilada
Reservatórios foram fabricados de material acrílico com medição de volume até 21 litros
para o armazenamento das águas salobra e destilada. Cada um é equipado com uma válvula
acoplada à tubulação que possibilita a drenagem do reservatório, como mostra a Figura 12
O reservatório de água destilada possui um sensor medidor de nível GEMS, modelo CT-
1000 DU NT que é conectado ao computador, onde as medidas são armazenadas e lidas no
programa MONITOR (mostrado a frente).
25
Figura 12: Reservatórios e sensor de nível
3.1.5. Trocador de Calor Tipo Placas Paralelas
É utilizado um trocador de placas paralelas APEMA K050-20M-GB6 para realizar a troca
de calor entre a água destilada e a água na temperatura ambiente do tanque de resfriamento,
com a finalidade de realizar o resfriamento da água destilada, para a manutenção do gradiente
térmico em relação a água salobra. São quatro trocadores conectados em série e cada um possui
placas metálicas paralelas com um espaço entre si por onde escoam alternadamente as
substâncias que realizarão a troca de calor, como mostra a Figura 13.
Figura 13: Trocador de calor do tipo placas
26
3.1.6. Tanque de Resfriamento
A fonte fria consiste de uma caixa d’água FORTLEV com 500 litros de capacidade,
preenchida com água doce na temperatura ambiente, como pode ser vista na Figura 14. Esta
água troca calor com a água destilada através do trocador de calor do tipo placas destacado
anteriormente. É acoplada a uma bomba da marca THEBE modelo B – 12P, com vazão máxima
de 8m³/h e head máximo de 26m. A água para resfriamento circula com uma vazão de 0,65 m³/h.
Figura 14: Tanque de Resfriamento
3.1.7. Computador e Sistema de Aquisição de Dados
Para realizar o monitoramento do sistema temos um computador equipado com o
programa “MONITOR” que faz o acompanhamento em tempo real dos sensores instalados no
equipamento. Este programa faz a leitura dos sensores e apresenta as medidas
instantaneamente em gráficos. No sistema de monitoramento temos um circuito elétrico
gerenciado por um controlador ARDUINO UNO. Assim, pode-se por exemplo monitorar e
controlar as temperaturas do sistema.
27
Figura 15: Circuito elétrico e monitor do sistema de controle e aquisição de dados
3.1.8. Sensores
Para a aquisição de dados como temperaturas e pressões temos sensores distribuídos
pelo equipamento. As temperaturas são reportadas diretamente ao programa de aquisição
automática de dados e as pressões podem ser vistas no mostrador analógico. Medimos as
temperaturas e pressões na entrada e saída do módulo de membrana (em ambas correntes,
quente e fria), bem como no interior do trocador de calor do tipo banho.
Para identificar os sensores foram usadas etiquetas azuis para a água destilada e laranja
para a água salobra. Os sensores instalados são: T10, T11, T20, T21, T30, P10, P11, P20, P21
e P30. A nomenclatura utilizada é composta por três algarismos (XXX), onde cada um tem um
significado (com exceção ao T30 e P30, que são as medidas dentro do trocador de calor do tipo
banho). Podemos identificar os sensores da seguinte forma:
28
Figura 16: Legenda dos sensores
As pressões encontradas são bem próximas da pressão atmosférica, diferenciando-se da
dessalinização por osmose reversa. Esse fato representa uma grande vantagem pois no
processo de osmose é necessário utilizar bastante energia para pressurizar a água, elevando-
se significativamente os custos. No caso da DM, isso não representa um problema, uma vez que
a fonte do processo é o gradiente térmico entre os fluxos de água. Na Figura 17 podemos ver
alguns sensores destacados, indicados pelas etiquetas de acordo com a nomenclatura detalhada
anteriormente.
T = Temperatura
P = Pressão
1 = Água Destilada
2 = Água Salgada
0 = Entrada
1 = Saída
29
3.1.9. Turbina para Medição de Vazão do Coletor Solar
Para a obtenção das medidas dos parâmetros relacionados ao coletor solar temos, além
dos termopares na entrada e saída do trocador de calor, uma turbina para medição da vazão que
foi instalada na tubulação que liga o coletor solar ao trocador de calor tipo banho (Figura 18). A
medida proveniente da turbina é um sinal elétrico em volts, que é posteriormente convertido para
vazão mássica.
P11
P10
T20
P20
P10
P11
P21
T21
P20
T10
Figura 17: Sensores de temperatura e pressão P10: pressão na entrada do módulo (água destilada); P11: pressão na saída do módulo (água destilada); P20: pressão na entrada do módulo (água salobra); P21: pressão na saída do módulo (água salobra); T10: temperatura na entrada do
módulo (água destilada); T11: temperatura na saída do módulo (água destilada); T20: temperatura na entrada do
módulo (água salobra); T21: temperatura na saída do módulo (água salobra).
30
Figura 18: Turbina para medição da vazão
31
4. Testes
Testes com a Resistência Elétrica
Foram realizados experimentos com uma resistência elétrica para que se mantivesse a
temperatura da corrente de água salobra em uma temperatura estável, caracterizando-se assim
o equipamento para quatro faixas de temperatura: 60°C, 65°C, 70°C e 75°C. Para análise dos
resultados em cada temperatura foi adotada uma repetibilidade de, no mínimo, três ensaios.
As temperaturas foram medidas pelos termopares instalados na tubulação antes da
entrada no módulo de membrana. O controle da temperatura foi realizado pelo programa de
computador de forma que se operasse nos limites entre mais ou menos um grau centígrado em
relação à temperatura estabelecida. Por exemplo, para o experimento realizado em 75°C, os
limites superior e inferior foram, respectivamente, 74°C e 76°C.
O tempo considerado para cada medição foi sempre maior que uma hora, a partir do
momento que havia estabilidade nas temperaturas desejadas. No exemplo da temperatura a
75°C, o início é marcado quando a temperatura T20 ultrapassa os 76°C, desligando a resistência.
De forma semelhante, o fim do experimento é demarcado quando a temperatura T20 atinge um
valor menor que 74°C pela última vez. Nesse caso, a resistência é desligada manualmente para
que não seja acionada quando baixar de 74°C. Essa informação pode ser melhor compreendida
com o auxílio da Figura 19.
Nessa figura, temos o volume do reservatório de água destilada (Nível) ; a temperatura
da corrente de água destilada na entrada do módulo da membrana (T10); a temperatura da
corrente de água destilada na saída do módulo da membrana (T11); a temperatura da corrente
de água salobra na entrada do módulo da membrana (T20); a temperatura da corrente de água
salobra na saída do módulo da membrana (T21); e a temperatura da água no interior do trocador
e calor tipo banho (T30).
32
Além disso, na temperatura de 75°C, foram realizados testes em duas vazões de água
salobra: 0,6m³/h e 0,3m³/h, para verificar a influência da vazão no processo de dessalinização.
De acordo com Alklaibi e Lior (2004), a vazão do fluido de alimentação, no nosso caso a água
quente salina, possui um efeito secundário. Em suas análises, triplicando o valor da vazão,
encontrou-se um aumento de 1.3 vezes no fluxo da água destilada produzida.
A vazão da água destilada foi fixada em 1,0m³/h pois em vazões menores a temperatura
da corrente de água destilada aumentava de forma mais significativa, o que não era desejável,
uma vez que a base deste processo de dessalinização é a diferença de temperatura entre as
correntes de água salobra e destilada. Foi também observado por Alklaibi e Lior (2004) que as
condições de operação no lado frio resultam em efeitos menores no processo quando
comparadas ao lado quente.
A Tabela 2 apresenta as médias dos resultados dos experimentos controlados com a
resistência elétrica para cada temperatura. São mostradas a média das temperaturas de entrada
de água salobra (T20); a média das temperaturas de entrada de água destilada (T10); a média
dos fluxos de água destilada medidos em [l/m².h]; e a média da produção de água destilada em
[l/h].
Consideramos as incertezas das medidas mostradas na tabela como o desvio padrão,
calculado para cada resultado.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
8:4
8:5
48
:52
:11
8:5
5:2
88
:58
:45
9:0
2:0
19
:05
:18
9:0
8:3
69
:11
:53
9:1
5:1
39
:18
:39
9:2
2:0
99
:25
:45
9:2
9:2
29
:32
:58
9:3
6:3
59
:40
:11
9:4
3:4
89
:47
:24
9:5
1:0
19
:54
:40
9:5
8:1
61
0:0
1:5
31
0:0
5:3
61
0:0
9:3
21
0:1
3:2
81
0:1
7:2
41
0:2
1:2
11
0:2
5:1
71
0:2
9:1
31
0:3
3:0
91
0:3
7:0
61
0:4
1:0
21
0:4
4:5
81
0:4
8:5
51
0:5
3:0
71
0:5
7:2
31
1:0
1:3
91
1:0
5:5
51
1:1
0:1
11
1:1
4:2
71
1:1
8:4
3
Nível T10 T11 T20 T21 T30
Início Fim
Figura 19: Teste a temperatura de 75°C. Nível: volume no reservatório de água destilada; T10: termopar na entrada do módulo (água destilada); T11:
termopar na saída do módulo (água destilada); T20: termopar na entrada do módulo (água salobra); T21:
termopar na saída do módulo (água salobra); T30: termopar no interior do trocador tipo banho.
33
Tabela 2: Resultados dos experimentos com temperaturas controladas pela resistência elétrica e vazão de água salobra de 0,6m³/h
Temperatura água salobra
[⁰C]
Média das temperaturas
T20 [°C]
Média das temperaturas
T10 [°C]
Média dos fluxos de água
destilada [l/m².h]
Média das produções de água destilada
[l/h]
75 75.02 ± 0.02 36 ± 3 1.03 ± 0.04 0.92 ± 0.03
70 70.11 ± 0.02 34 ± 3 0.74 ± 0.08 0.67 ± 0.07
65 65.19 ± 0.04 35 ± 5 0.62 ± 0.10 0.56 ± 0.09
60 60.29 ± 0.07 33 ± 3 0.44 ± 0.11 0.39 ± 0.10
Podemos constatar que o fluxo de água destilada para a temperatura de 75°C foi bastante
satisfatório, uma vez que se aproxima das características informadas pelo fabricante da
membrana, que é 1,11l/m².h. A medida que reduzimos a temperatura da água salobra temos
também uma redução na produção de água destilada, chegando-se ao menor valor no fluxo de
0,44l/m².h com a temperatura de 60°C. A temperatura da corrente de água destilada foi mantida
aproximadamente a mesma nas medições para cada temperatura da água salobra.
4.1.1. A Influência da Vazão
A seguir são apresentados os resultados dos testes a 75°C, com as duas vazões
diferentes na corrente de água salobra 0,6m³/h e 0,3m³/h, respectivamente, nas Tabelas 3 e 4.
Para a mesma temperatura, foram encontrados resultados diferentes no fluxo de água destilada
produzida.
Assim, na vazão de 0,6m³/h de água salobra, obteve-se um fluxo médio de água destilada
igual a 1,03l/m².h, enquanto com a vazão de 0,3m³/h obteve-se um fluxo médio de 0,87l/m².h,
portanto um aumento de aproximadamente 15% no fluxo produzido quando dobramos o valor da
vazão de água salobra. As incertezas nas medidas da vazão são dadas pela incerteza do
equipamento (rotâmetro), enquanto as incertezas restantes são consideradas como o desvio
padrão das medidas calculadas.
Tabela 3: Resultados para experimento a 75ºC e vazão de água salobra de 0,6m³/h
Temperatura média T20 [°C]
Vazão de água salobra [m³/h]
Temperatura média T10 [°C]
Fluxo de água destilada [l/m².h]
Produção de água destilada
[l/h]
75.00 ± 0.73 0.60 ± 0.01 33 ± 2 0.98 ± 0.03 0.89 ± 0.03
75.03 ± 0.74 0.60 ± 0.01 38 ± 2 1.04 ± 0.01 0.94 ± 0.01
75.02 ± 0.71 0.60 ± 0.01 38 ± 1 1.05 ± 0.02 0.95 ± 0.02
Médias 1.03 0.92
34
Tabela 4: Resultados para experimento a 75ºC e vazão de água salobra de 0,3m³/h
Temperatura média T20 [°C]
Vazão de água salobra [m³/h]
Temperatura média T10 [°C]
Fluxo de água destilada [l/m².h]
Produção de água destilada
[l/h]
75.09 ± 0.77 0.30 ± 0.01 36 ± 2 0.99 ± 0.08 0.89 ± 0.07
75.04 ± 0.71 0.30 ± 0.01 32 ± 1 0.77 ± 0.07 0.69 ± 0.07
75.05 ± 0.80 0.30 ± 0.01 31 ± 1 0.86 ± 0.01 0.78 ± 0.01
Médias 0.87 0.79
Testes com Coletor Solar
Foram também realizados testes de demonstração do equipamento em sua concepção
para uso final, empregando o coletor solar como fonte de calor para o aquecimento da água
salobra. Assim, a energia captada do sol foi utilizada para aquecer a água do reservatório do
coletor, que posteriormente foi enviada ao trocador do tipo banho para que aquecesse a água da
corrente salobra.
Nos dias selecionados para uso do coletor, e também em função das características
desse aquecedor solar, as temperaturas alcançadas não foram tão altas quanto nos melhores
experimentos com a resistência, portanto levando a uma produção consideravelmente menor de
água destilada. Vale também observar que foram registradas perdas de calor significativas no
trocador, como discutido mais à frente.
A Tabela 5 detalha os resultados obtidos com os experimentos empregando o coletor
solar como fonte de calor. Podemos notar que os valores de fluxo de água destilada para os
casos com o coletor foram nitidamente menores quando comparados aos com a resistência
elétrica. Mesmo com temperaturas semelhantes às menores temperaturas testadas com a
resistência, não conseguimos igualar a produção. Isso se deve ao fato de não conseguirmos
operar o sistema com vazões maiores quando usamos o coletor solar, pois em vazões mais
elevadas não conseguimos alcançar temperaturas expressivas.
Tabela 5: Resultados com coletor solar
Temperatura média T20 [°C]
Vazão de água
salobra [m³/h]
Temperatura média T10 [°C]
Vazão de água
destilada [m³/h]
Fluxo de água
destilada [l/m².h]
Produção de água
destilada [l/h]
57 ± 1 0.30 ± 0.01 32 ± 1 0.50 ± 0.01 0.17 ± 0.02 0.15 ± 0.02
59 ± 1 0.30 ± 0.01 36 ± 1 0.50 ± 0.01 0.17 ± 0.02 0.15 ± 0.02
62 ± 1 0.30 ± 0.01 34 ± 2 0.50 ± 0.01 0.25 ± 0.04 0.23 ± 0.03
35
5. Análise de Resultados
Nesta seção analisaremos os resultados da produção de água destilada e alguns
aspectos do processo, como perdas de calor e eficiência.
Fluxo de Água Destilada
A Figura 20 representa o gráfico do fluxo de água destilada em função da temperatura da
água quente salgada na entrada do módulo da membrana, conforme Tabela 2. Podemos
perceber que a temperatura da corrente de água salgada é um parâmetro de grande relevância
no processo, uma vez que variações de apenas 5°C resultam em ganhos significativos no fluxo
de água destilada.
Para a temperatura de 75°C obtivemos o resultado médio de fluxo de água destilada igual
a 1,03l/m².h, já bem próximo ao valor de referência informado pelo fabricante da membrana, de
1,11l/m².h.
Figura 20: Fluxo experimental de água destilada em função da temperatura da água salobra na entrada do módulo da membrana
Tfeed: Temperatura da corrente de água salobra (alimentação)
Eficiência Térmica e de Dessalinização do Módulo
5.2.1. Eficiência Térmica no Módulo de Membrana
Para calcular a eficiência térmica, utiliza-se o calor latente que foi transferido da água
salobra para a água destilada em forma de vapor através da membrana, e a energia fornecida
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
60 65 70 75
Tfeed [⁰C]
Fluxo de água destilada [L/m².h]
36
ao sistema para permitir a realização do processo de dessalinização, representada pelo calor da
água salobra somada à potência da bomba necessária para a circulação das correntes de água.
Se considerarmos que a energia para alimentar as bombas de água é fornecida pelo painel
fotovoltaico, chegamos à seguinte equação, onde QL é o calor latente e QAS é o calor fornecido
pela água salobra:
𝜂𝑡 =𝑄𝐿
𝑄𝐴𝑆 (1)
Tomando o módulo de membrana como um volume de controle (Figura 21), podemos
considerar que a soma do calor das correntes na entrada deve ser igual à soma de calor nas
correntes de saída mais as perdas de calor para o ambiente.
O calor em cada corrente é calculado com a multiplicação da vazão mássica de água,
pelo calor específico da água a pressão constante, e pela temperatura média da seção
considerada, como na equação a seguir:
𝑄 = �̇�𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ 𝑇𝑚 (2)
A vazão mássica nas entradas das correntes de água salobra e destilada são as vazões
volumétricas medidas no sistema multiplicadas pela massa específica da água (ρágua).
Figura 21: Balanço térmico no módulo de membrana
Como uma parte da água atravessa a membrana em forma de vapor, no sentido da água
salobra para a água destilada, temos uma vazão de água transportada através da membrana,
alterando a vazão de saída de ambas as correntes. Para calcular essa vazão de vapor, podemos
dividir o volume de água produzida no experimento pelo tempo considerado, obtendo-se assim
QAD in
QAD out
QAS out
QAS in
QAS in: calor na entrada da água salobra
QAS out: calor na saída de água salobra
QAD in: calor na entrada de água destilada
QAD out: calor na saída de água destilada
QPerdas: perdas de calor para o ambiente
QPerdas
37
uma vazão volumétrica de água. Com isso, podemos encontrar as vazões de saída das correntes
de água. Para a água salobra, a vazão de saída equivale a vazão de entrada menos a vazão
calculada de vapor transportado através da membrana. Já para a água destilada, a vazão de
saída corresponde à vazão de entrada mais a vazão de vapor.
Tendo as vazões, pode-se utilizar o balanço de energia e chegar-se ao resultado das
perdas de calor para o ambiente no módulo de membrana.
Com o cálculo da vazão transportada através da membrana, podemos também encontrar
o calor latente da Equação 1, que é a multiplicação do coeficiente de calor latente da água pela
produção de água destilada.
O calor cedido pela água salobra pode ser calculado como a diferença entre o calor na
entrada e na saída das correntes de água quente salina. Analisando o processo, podemos
considerar que o calor cedido pela corrente de água salobra é a composição de calor latente
mais o calor perdido para o ambiente, ou seja, todo o calor que não atravessou a membrana em
forma de vapor para a água destilada foi avaliado como perda.
𝑄𝐴𝑆 = 𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑄perdas (3)
Assim, foi calculada a eficiência térmica do módulo de membrana para os experimentos
com a temperatura de 75°C e vazão igual a 0,6m³/h. Os resultados podem ser acompanhados
na Tabela 6 a seguir. As incertezas das medidas do calor produzido pela água salobra e pela
água destilada, QAS e QAD respectivamente, foram calculadas propagando as incertezas das
temperaturas de entrada e saída para cada corrente de água no módulo de membrana. A
incerteza da medida do calor latente QLatente, foi calculada propagando a incerteza da produção
de água destilada. E a incerteza das perdas de calor foi calculada combinando as incertezas do
calor produzido pela água salobra e do calor latente.
Tabela 6: Eficiência térmica calculada para os experimentos a 75°C e vazão igual a 0,6m³/h
Temperatura [⁰C] QAS [W] QAD [W] QLatente [W] Perdas [W] Eficiência [%]
75 801 ± 40 1195 ± 107 555 ± 18 246 ± 20 69.3
75 673 ± 34 1025 ± 92 587 ± 19 86 ± 7 87.3
75 635 ± 32 1034 ± 93 594 ± 20 41 ± 3 93.5
Médias 703 1085 579 124 83.4
Podemos perceber que a eficiência da primeira experiência é significativamente menor
que a das outras duas seguintes. Esse fato pode ser melhor explicado quando percebemos que
a quantidade de calor cedido pela água salobra nesse caso também é consideravelmente maior.
O que acontece nesse caso é que a maior quantidade de calor cedida pela água salobra não é
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convertida em calor latente, e sim, em perdas, como podemos perceber nos valores do resultado.
As perdas calculadas nesse experimento foram maiores que nos outros dois, ou seja, há um
limite na quantidade de calor que é transferido através da membrana na forma de vapor, uma
saturação, e após esse limite, temos que o excesso de calor cedido acaba sendo desperdiçado,
e ao invés de ser utilizado como calor latente, é perdido para o ambiente.
5.2.2. Eficiência de Dessalinização
A eficiência de dessalinização retrata a capacidade de se retirar o sal da água durante o
processo de destilação por membrana. Esse parâmetro é alcançado através de um cálculo que
relaciona as medidas de condutividade elétrica da água salobra e destilada após o processo de
DM. O aparelho utilizado para tal medições é o condutivímetro.
Para a água salobra, foi utilizada uma concentração de sais de 2,0% em massa, ou seja,
20 gramas de sal para cada litro de água destilada. A solução foi feita em laboratório utilizando
substâncias puras de Na Cl e água destilada.
A equação que exprime o percentual de remoção de sal é:
%𝑟𝑒𝑚𝑜çã𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙 = ( 1 −𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑎
𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑜𝑏𝑟𝑎 ) ∗ 100 (4)
A tabela 7 relata valores obtidos em diferentes experimentos para calcular e verificar o
percentual de remoção de sal na DM. As incertezas são caracterizadas pelo manual do
equipamento.
Tabela 7: Eficiência de dessalinização
Água Salobra [μS/cm] Água Destilada [μS/cm] Eficiência de Dessalinização [%]
30700 ± 31 33.30 ± 0.03 99.89
21800 ± 22 25.60 ± 0.03 99.88
19500 ± 20 21.40 ± 0.02 99.89
17840 ± 18 12.63 ± 0.01 99.93
17580 ± 18 96.30 ± 0.10 99.45
Podemos observar que em todas as medições realizadas, o percentual de dessalinização
obtido foi maior que noventa e nove por cento (> 99%). Os valores de condutividade da água
destilada ficaram em torno de 10 a 100μS/cm.
39
6. Conclusão e Sugestões
O estudo e caracterização experimental do sistema de dessalinização por membrana nos
permitiu demonstrar que esse é um processo viável para produção de água destilada a partir de
água salobra ou marinha, visto que a proporção de sal na água afeta pouco o processo. Assim,
tendo em vista que esse sistema pode ser alimentado com energia solar e funcionar de forma
autônoma, se mostra vantajoso o investimento nessa tecnologia. Pode ser um caminho
sustentável para suprir as necessidades básicas de água para lugares onde a falta de água doce
e limpa é um problema.
Vimos também que, com os testes utilizando a resistência elétrica, conseguimos bons
valores de fluxo de produção de água (1,05l/m².h), inclusive comparáveis ao valor de referência
informado pelo fabricante da membrana, que é 1,11l/m².h. Entretanto, os testes com o coletor
solar não foram muito satisfatórios, obtendo-se valores de produção de água destilada abaixo
dos testes com a resistência, indicando que são necessárias melhorias no sistema de
aquecimento solar.
Como sugestão para continuidade das pesquisas com o presente dessalinizador, propõe-
se trocar o sistema de medição de nível de água destilada, para maior precisão nessa importante
medida.
Outra sugestão para trabalhos futuros é utilizar uma membrana em formato de espiral
como no sistema de Hassan et al. (2008). Com isso, é possível utilizar a própria água salobra
como fonte fria ao mesmo tempo que se realiza um pré-aquecimento. Assim, poderíamos montar
um dessalinizador com sistema de recuperação parcial de calor, tornando-o mais eficiente.
Finalmente, para tentar melhorar a eficiência térmica do sistema, deve-se realizar o
isolamento térmico nas tubulações e equipamentos em geral, reduzindo-se assim a perda de
calor para o ambiente.
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