processo de ultrafiltração e a sua aplicação em águas...

Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto

Processo de ultrafiltração e a sua

aplicação em águas residuais

Projeto FEUP 1ºano curricular – Mestrado integrado de Engenharia do Ambiente

Coordenador:João Bastos

Monitora: Barbara Pereira

Estudantes & Autores:

Camila Moura

Diogo Soares

Inês Ribeiro

João Coutinho

Mafalda Coutinho

Tomas bernardo

Processo de ultrafiltração e a sua aplicação em águas residuais

2

Resumo

Neste trabalho, estudou-se os processos de filtração, mais

aprofundadamente a ultrafiltração e as suas aplicações no tratamento de águas

residuais. Para tal, tivemos de estudar as membranas para perceber como são

constituídos os sistemas de tubos que filtram as soluções.

De forma a comprovar experimentalmente o processo de ultrafiltração no

tratamento de águas, filtrou-se uma mistura de água e óleo através de um

sistema de membranas, obtendo água limpa. Este sistema foi submetido a

diferentes pressões de modo a comprovar em que condições é que a filtração

era mais eficaz.


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Índice

Introdução………………………………………………………...4

1. Membranas

1.1 O que são membranas………………………………………..5

1.2 Classificação/tipos de membranas…………………………..5

1.3 Processos de separação por membranas…………………..7

2. Ultrafiltração

2.1 Processo de ultrafiltração…………………………………….9

2.2 Fatores que condicionam a ultrafiltração…………………..11

2.3 Aplicações do processo de ultrafiltração…………………..12

2.4 Aplicação da ultrafiltração em águas residuais …….......12

3. Método experimental……………………………………….……13

3.1 Material………………………………………………………...13

3.2 Instalação experimental e modo de operação…………….15

3.3 Teoria inerente ao procedimento experimental…………...15

3.4 Procedimento…………………………………………………15

3.5 Cuidados a ter………………………………………………...16

3.6 Dados obtidos…………………………………………………16

3.7 Interpretação de resultados…………………………………17

4. Referências bibliográficas e webgrafia……………………..18


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Introdução

As águas residuais para serem destinadas ao consumo humano devem

ser sujeitas a tratamentos. De acordo com o Decreto-Lei nº149/2004 de 22 de

Junho, «” (...) o combate à eutrofização e a necessidade de adoptar um

tratamento mais avançado do que o tratamento secundário, permitindo o

cumprimento do disposto na legislação comunitária em matéria de águas, bem

como a redução da poluição microbiológica.”», ou seja, é importante com o

avanço tecnológico minimizar os custos e maximizar os benefícios.

Consequentemente surgiram vários processos nomeadamente a

ultrafiltração, a microfiltração, a nanofiltração e a osmose inversa, de modo a

purificar as águas que possuem contaminantes de ordem molecular muito

reduzida. A semelhança processual entre eles é a utilização de uma membrana

de separação, que tem vindo a ser utilizada ao longo da história, usada

nomeadamente para o tratamento de águas para consumo humano.

No passado, os alemães usavam as membranas como filtros para eliminar

contaminantes da água dos bombardeamentos da Segunda Guerra Mundial.

Nos anos 70 a micro e a ultrafiltração cresceram como tecnologias de

separação. Dez anos depois, nos anos 80 o aparecimento de polímeros mais

resistentes, quimicamente e termicamente, assinalaram o maior salto realizado

até então.

Ainda nos anos 80 esta mesma tecnologia passou a ser utilizada para a

produção de água para consumo humano, possibilitando assim até aos dias de

hoje cobrir a escassez de água de boa qualidade independentemente da sua

fonte.


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PALAVRAS-CHAVE

Ultrafiltração

Membranas

Águas residuais

1. Membranas

1.1 O que são membranas

Uma membrana é uma barreira de permeabilidade seletiva que

condiciona a passagem de substâncias entre as duas fases. A eficácia de

uma membrana é condicionada por dois critérios: a selectividade e o fluxo.

A selectividade é expressa pelo coeficiente de retenção, R=1-Cp/Cf onde

Cp representa a concentração de soluto no permeado/filtrado e Cf a

concentração do soluto na alimentação. Por outro lado o fluxo ou

velocidade é determinado como o volume de solução que atravessa a

membrana por unidade de área e por unidade de tempo.

1.2 Classificação/tipos de membranas

As membranas podem ser classificadas de acordo com a sua

natureza e estrutura/morfologia:

• Em relação às naturezas das membranas dividem-se em biológicas

(vivas ou não vivas) e sintéticas (orgânicas ou inorgânicas).

• Quanto a estrutura, as membranas podem ser simétricas (porosas ou

não porosas) e assimétricas. As simétricas apresentam uma espessura

entre 100 e 200 μm e as assimétricas são constituídas por uma camada

homogénea, muito fina, e em que a espessura pode variar entre 0.1 e 0.5

μm, suportada por uma camada porosa com uma espessura entre 50 e

150 μm.


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A constituição das membranas comercializadas varia de acordo

com os seus custos e a sua eficácia. Os materiais poliméricos são os

materiais mais comuns na sintetização das membranas, mas

recentemente com o avanço tecnológico também é possível serem

sintetizadas a partir de materiais inorgânicos.

Existem vários tipos de membranas, entre as quais:

• A membrana de módulo enrolado em espiral: este tipo tenta maximizar

a área de superfície por espaço ocupado. É o módulo mais barato mas é

o mais sensível à poluição devido ao seu processo de fabrico. O seu

design consiste em largas camadas sucessivas de membranas e de

material de suporte, que estão enrolados em espiral em redor de um tudo

de aço perfurado.

• A membrana de módulo em placa estruturada: é normalmente usada

para tratar água de má qualidade. Estão dispostas em grupos de

membranas apoiadas em placas.

• As Membranas tubulares são geralmente usadas em fluidos viscosos ou

sujos. Estes módulos não necessitam que a água seja tratada

previamente. Como a mistura da alimentação flui para o centro da

membrana, o permeado passa através desta e é retirado no

compartimento tubular. A grande desvantagem é que o sistema não é

muito compacto e os custos por m2 são elevados. O diâmetro dos tubos

é geralmente entre 4 -25 mm.

• Módulo de fibras ocas: contém um elevado número de fibras ou tubos

de diâmetros reduzidos (0.6 e 2 mm de diâmetro). Uma vez que a solução

da alimentação flui através dos núcleos abertos das fibras, o permeado é

retirado no compartimento circundante das fibras. A filtração pode ser

levada a cabo de duas maneiras: de dentro para fora ou de fora para

dentro.


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1.3 Alguns dos processos de separação por membranas

Processo de Osmose Inversa

Um processo de osmose inversa consiste na separação de um solvente

de um soluto de baixo peso molecular, com o auxílio de uma membrana

permeável ao solvente e impermeável ao soluto.

Este processo é indicado para separação de iões cujo diâmetro varia entre

1 e 10 Â.

Processo de microfiltração

Na microfiltração ocorre a separação de material particulado de um

solvente por membranas fluxo cruzado de baixa pressão.

Com a microfiltração é possível filtrar substâncias coloidais e em

suspensão, em procedimentos como a fermentação, a recuperação de

biomassa entre outros.

Processo de Nanofiltração

Normalmente recorre-se a nanofiltração apenas quando a Osmose

Inversa e a Ultrafiltração não são os processos mais adequados para a

separação.

Este pode ser utilizado na desmineralização, dessalinização e na remoção

de cores.

No caso de conter uma concentração de solutos orgânicos, sólidos em

suspensão e iões polivalentes, o conteúdo permeado inclui iões

monovalentes e soluções orgânicas de baixo peso molecular, tais como o

álcool.


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Microfiltração Ultrafiltração Nanofiltração Osmose

Inversa

Tamanho

das

Partículas

> 0.1 µm

> 500 000 Da

0.1 - 0.01 µm

1 000 - 500 000

Da

0.01 - 0.001 µm

100 - 1 000 Da

< 0.001 µm

< 100 Da

Tipos de

Partículas

Partículas em

suspensão,

coloidais,

emulsões

oleosas

Macromolécula

s, bactérias,

células, viroses,

proteínas

Compostos

orgânicos

micromoleculare

s

Iões


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2. Ultrafiltração

2.1Processo de Ultrafiltração

A ultrafiltração, tal como os outros processos de separação por

membranas, é caracterizado pela presença de membranas permitindo o

fracionamento entre solutos dissolvidos em correntes líquidas.

A membrana utilizada para este método possui poros de ordem dos 0,01

a 0,001 micrómetros, por esta razão, é pequeno o suficiente para remover a

maioria das bactérias, vírus e substâncias de alto peso molecular. Durante a

ultrafiltração, o fluxo do líquido se divide em duas correntes, que é conhecido

como fluxo cruzado de separação.

A ultrafiltração é uma tecnologia que lida com a remoção de partículas de

dimensão reduzida e líquidos.

O que o distingue de um processo convencional de filtração é o recurso

ao escoamento tangencial (fluxo cruzado), a fim de separar as partículas sólidas

em suspensão de correntes líquidas ou gasosas em escoamento frontal.


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No processo de separação por membranas, a corrente de alimentação

que tem por concentração do soluto é conjuntamente alimentada por um

escoamento tangencial ao longo da superfície da membrana e divide-se em duas

correntes, o concentrado ou retido e o permeado. A corrente do retido é

essencialmente constituída por partículas e solutos rejeitados pela membrana.

Como já foi referido, os processos de separação por membranas são

operados em escoamento tangencial (fluxo cruzado), no qual a solução flui

paralelamente à superfície da membrana enquanto o permeado é transportado

transversalmente à mesma. Durante esta operação, observa-se um declínio no

fluxo de permeado ao longo do tempo devido a uma série de fenómenos que

criam condições favoráveis ao entupimento (“fouling”) da membrana. Uma vez

que a membrana é seletiva, isto é, permite a passagem apenas de alguns

solutos, haverá uma acumulação dos solutos que são largamente rejeitados pela

membrana. Como consequência, formar-se-á uma camada concentrada na

interface da mesma que oferecerá uma resistência adicional à transferência de

massa. Este fenómeno que se designa por polarização da concentração assume

maior importância no caso da ultrafiltração de hidrocolóides, macromoléculas e

outros solutos de elevado peso molecular. Outras condições do processo, tais

como as interacções entre os solutos e a membrana, o pH do meio, o tamanho

e a morfologia da própria membrana, concorrem para o aparecimento de

resistências adicionais devido à formação da camada gel, do entupimento dos

poros e da adsorção de solutos na superfície da membrana.

A formação da zona de polarização e da camada gel podem ser

minimizadas através do aumento da velocidade de escoamento tangencial

devido ao aumento da turbulência. O efeito de mistura, nas proximidades da

superfície da membrana, arrasta uma parte significativa dos solutos acumulados,

na maioria das vezes por adsorção, reduzindo a espessura da camada gel e

aumentando a velocidade de permeação. O “fouling” também pode ser

controlado através de outros procedimentos como a aplicação de gradientes de

pressão mais reduzidos ou actuando a nível da composição química das

membranas de forma a alterar as interacções soluto-superfície da membrana.


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2.2 Fatores que condicionam a ultrafiltração

A eficácia deste processo é condicionada pela temperatura, pela pressão

e pela própria membrana. A pressão é um dos outros fatores que também está

diretamente relacionada à forma como o fluido atravessa a membrana. Logo

quanto maior a velocidade do líquido, maior é a taxa do fluxo e mais alta será a

taxa de permeação. Outro fator é a temperatura, quanto mais alta a temperatura,

maior é a quantidade de fluidos que atravessam a membrana, embora seja

necessário estudar outros fatores para saber se uma mudança de temperatura

afetou a taxa de permeação.

Neste processo é imprescindível uma vigilância cuidadosa, devido a taxa de

líquido permeado que poderá baixar aos 10% indicando sujidade da membrana

em questão.

2.3 Aplicações da ultrafiltração

Normalmente é um processo usado no tratamento de água potável em

conformidade com as normas restritas.

Muitos organismos se tornaram resistentes a outros métodos de

desinfeção da água, mas um sistema de ultrafiltração remove elementos

patogénicos através da água em movimento através de uma membrana,

removendo fisicamente cada organismo.

Fracionamento de solutos, normalmente proteínas. Uma das proteínas

atravessa a membrana e outra é retida.

Purificação de água para consumo humano

Tratamento de esgotos

Tratamento de água em grande escala, bem como pequenas fontes de

água usadas em operações municipais.


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2.4 Aplicação da ultrafiltração em águas residuais

A água é o bem mais precioso que temos, sendo a água aquilo que dá a

vida a quase tudo que é orgânico na Terra e por causa disso temos o dever de

a tratar. Na revolução industrial com o avanço da indústria e da poluição

ambiental nasceu a necessidade das estações tratarem a água de modo que se

separassem os elementos químicos tóxicos presentes na água proveniente da

indústria. Desta necessidade nasceram as ETAS (estações de tratamento de

águas) e as ETARS (estações de tratamento de águas residuais). Nas ETAS e

ETARS usa-se o processo de ultrafiltração para o tratamento de todo o tipo de

águas, que tem como objetivo final a descarga da água tratada de volta para a

natureza em condições ambientalmente seguras.

Um dos usos mais conhecidos e práticos da ultrafiltração é o tratamento de

águas residuais, ou mais facilmente denominado esgoto, que depois do uso

humano apresenta as suas caraterísticas naturais alteradas, podendo pôr em

risco a saúde de espécies que entrem em contacto com essas águas ou até

poluir o ambiente.

Existem diferentes tratamentos que se podem efetuar quando se tratam

águas residuais, tais como:

Tratamento de efluentes, quer sejam efluentes urbanos, domésticos,

industriais, agrícolas e depósitos de resíduos sólidos;

Separador de gorduras, que consistem num tanque destinado a receber

e tratar as águas gordurosas provenientes do uso doméstico ou industrial,

procedentes do manuseamento de material orgânico, tal como

provenientes do uso animal e vegetal;

A ETAR integra quatro fases de tratamento de água e uma final fase de

descarga da água:

1. Tratamento preliminar – Nesta fase as águas residuais, consequentes

do uso doméstico e industrial, chegam à ETAR onde são filtradas e

separadas por ação da gravidade;


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2. Tratamento primário – A seguir, as águas residuais passam pela

decantação primária onde as partículas sólidas em suspensão são

eliminadas por ação da gravidade.

3. Tratamento secundário – As águas residuais sofrem um tratamento

biológico com bactérias que digerem a matéria orgânica existente. A

seguir, passa pela decantação secundária que permite a deposição das

lamas resultantes da ação das bactérias.

4. Tratamento terciário – Nesta fase do tratamento das águas residuais são

submetidos a uma desinfeção e remoção dos nutrientes. Removem-se as

bactérias, os sólidos em suspensão, os nutrientes em excesso e os

compostos tóxicos específicos tornando-os mais puros. Depois de passar

por este tratamento, a água pode ser usada na agricultura, na rega de

campos e espaços verdes, na lavagem de ruas, etc…

5. Descarga Final da água – A água nesta fase está livre de químicos

tóxicos prejudiciais à nossa saúde e ao ambiente, portanto a seguir a água

é devolvida à natureza.

A ultrafiltração tem utilidade prática nas ETAS ou ETARS por causa de se

tratar de um processo de alta eficiência na filtração da água, nomeadamente a

filtração da água de bactérias, nutrientes, sólidos e químicos, tornando-a potável

e usável para outras atividades.


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3. Método experimental

As tecnologias de separação por membranas têm vindo a assumir uma importância crescente no tratamento industrial de efluentes líquidos ou gasosos.

De forma a compreendermos melhor em que consiste a ultrafiltração e de que forma é usada na indústria, e no tratamento de águas residuais, foi nos dado a fazer uma experiência em que consistia na ultrafiltração de uma mistura de água e emulsionante de óleo (5%) através de um processo de membranas e sob o efeito de pressão.

A membrana, que pode ser ou não porosa, constituí uma barreira seletiva entre duas fases, e faz com que a passagem de determinadas moléculas ou partículas seja restringida, permitindo assim o processo de separação.

Os processos membranares envolvem a aplicação de pressão de forma a forçar a passagem do solvente (neste caso a água) através da membrana de forma a obter a purificação deste. Quanto menor a dimensão das moléculas ou partículas do soluto, menor terá que ser o tamanho dos poros da membrana, de forma a obter uma retenção efetiva; por outro lado, maior terá que ser a pressão a aplicar, de forma a obter um fluxo do solvente aceitável.


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Dependendo do tamanho do soluto que se pretende reter podem ser distinguidos diferentes processos de filtração:

Microfiltração

Ultrafiltração

Nanofiltração

Osmose inversa

3.1 Material

Proveta de 5mL e 10mL;

Cronómetro;

Espectrofotómetro (quantifica a concentração de emulsão de óleo no permeado);

Material que se encontra no esquema (sistema de membranas, tubos, válvulas e sensores de pressão;

Mistura de água com 5% de emulsionante de óleo;

Água destilada;

3.2 Instalação experimental e modo de operação:


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3.3 Teoria

Permeação- está relacionada com a estrutura da membrana (porosidade e distribuição de tamanho de poros) e à viscosidade do líquido. A membrana é selecionada de maneira a que o soluto seja praticamente todo rejeitado. No entanto, à medida que a pressão ou a concentração do soluto aumenta, cada vez mais soluto se acumula na superfície da membrana, dando origem a um fenómeno que se designa por polarização da concentração. Quando a concentração na superficie atinge um limite, pode formar-se um gel que cobre a membrana e cria uma resistência adicional à permeação do solvente. O desempenho de um sistema de filtração é avaliado em termos de recuperação/rendimento, e da rejeição observada, ou seja, a recuperação é a razão entre os caudais de permeado e de alimentação. Uma rejeição de 100% equivale a obter uma corrente de permeado sem soluto.

3.4 Procedimento

1. Calibrar o espectrofotómetro, de forma a quantificar a concentração de emulsionante de óleo na corrente do permeado. De forma a fazermos isto temos que introduzir água destilada na célula, para definir o valor zero de absorvência, para isto, temos que nos certificar que o comprimento de onda fixado é de 734nm (valor máximo característico desta substância);

2. Ligar os tubos à célula do espectrómetro, em seguida a entrada do computador para posterior leitura de dados. Abrir a válvula V1, e ligar a bomba;

3. Regular a válvula V2 de modo a obteremos a pressão desejada (1,2 ou 3 bar) e obter os resultados nos sensores 1 e 2;

4. Após ter verificado que a absorvência tem um comportamento estável, proceder a medições do caudal do caudal do permeado com intervalos de 5min, até se atingir o estado estacionário. Registar a temperatura a que se fez a medição e o instante.

5. Após atingir o estado estacionário, regular a válvula V2 para obter resultados com diferentes pressões, repetindo o procedimento em 4;


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6. No final do procedimento, desligar a bomba, pc e espectrofotómetro.

3.5Cuidados a ter

Recolher o líquido numa pequena proveta e colocar a extremidade da tubagem ao mesmo nível que estava aquando da recirculação ao tanque- se não estamos a afetar a medição; Ao regular a válvula V2, não devemos ultrapassar os 4bar, para não causar danos na tubagem.

3.6 Dados obtidos

Experiência 1 (pressão-aproximadamente de 1 bar):

t (min) TºC t(s) V (mL) Qexp Rejeição

0 23,6 590 1,3 0,0026 94,8

5 25 882 1,1 0,0022 95,6

10 26,4 1183 1,3 0,0026 94,8

15 27,6 1483 1,1 0,0022 95,6

20 28,8 17,83 1,4 0,0028 94,4

25 29,9 2083 1,4 0,0028 94,4

1ª Pressão (bar) 2ª Pressão Caudal

0,99 0,65 18,5

t (min) TºC t(s) V (mL) Qexp Rejeição

0 31,7 2393 5,4 0,0108 78,4

5 34 2693 6,2 0,0124 75,2

10 36,2 2993 6 0,012 76

15 38,3 3293 6,3 0,0126 74,8

20 40,2 3594 6,6 0,0132 73,6

25 41,9 3894 6,5 0,013 74

1ª Pressão (bar) 2ª Pressão Caudal

2,74 2,84 11,69


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Gráficos:


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20


21

3.7 Interpretação de resultados

Com esta experiência conseguimos concluir que, quanto maior a pressão, maior o caudal, ou seja, para um mesmo volume, enchemos mais depressa a proveta que está sujeita a uma maior pressão.

Num sistema industrial pretendemos sempre que ele tenha uma grande recuperação e ao mesmo tempo uma boa rejeição.

Contudo, não podemos submeter o sistema a pressões muito elevadas, se não causamos danos nas tubagens, e a temperatura do sistema começa a aumentar, fazendo variar a pressão. Também, ao aumentarmos a pressão, a acumulação do soluto na superficie é maior, fazendo com que a eficácia da membrana diminua.

Este é um bom processo para ser usado nas indústrias, mas a longo prazo, torna-se muito pouco rentável, pois acarreta elevados custos de manutenção.

Esta experiência relaciona-se com as ETAR'S, que falamos anteriormente, porque o objetivo da experiência era obter água limpa partindo de uma mistura de água e óleo que foi submetida a uma filtração, tal como ocorre nas ETAR'S que filtram as águas residuais e submetem-nas a processos semelhantes, de modo a separar a água de resíduos indesejados, de modo a obtermos água limpa que pode ser posteriormente devolvida ao ambiente em condições seguras e pronta a ser utilizada novamente.


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4. Referências bibliográficas e webgrafia

Meixedo, Filipa Andreia Duarte .Universidade do Porto. Faculdade de

Engenharia

Separation Process Engineering: Includes Mass Transfer Analysis (3rd

Edition) by Philip C Wantak

Decreto-Lei nº149/2004 de 22 de Junho

Decreto-Lei nº198/2008 de 8 de Outubro

http://w3.ualg.pt/~mribau/Textos/TeseMSc_M_R_Teixeira.pdf

http://www.teraambiental.com.br/blog-da-tera-ambiental/bid/216366/5-

Problemas-que-podem-ocorrer-quando-n%C3%A3o-h%C3%A1-o-tratamento-

de-res%C3%ADduos-l%C3%ADquidos

http://www.teraambiental.com.br/blog-da-tera-ambiental/bid/338190/Como-

funciona-o-tratamento-de-efluentes-industriais

http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81guas_residuais

http://www.ecodepur.pt/m/339/catalogo-geral-separador-de-gorduras-gortech

http://www.ecoalcance.net/index_ficheiros/separadordegorduras.htm

http://www.remosa.net/pt-pt/separador-de-gorduras/

http://www.suapesquisa.com/o_que_e/agua_potavel.htm

http://www.slideshare.net/guest3c1e728/tratamento-de-guas-residuais

http://www.agda.pt/tratamento-de-aguas-residuais.html

“Práticas de engenharia química VI” - ultrafiltração

http://w3.ualg.pt/~mribau/Textos/TeseMSc_M_R_Teixeira.pdf

http://www.teraambiental.com.br/blog-da-tera-ambiental/bid/216366/5-Problemas-que-podem-ocorrer-quando-n%C3%A3o-h%C3%A1-o-tratamento-de-res%C3%ADduos-l%C3%ADquidos



http://www.teraambiental.com.br/blog-da-tera-ambiental/bid/338190/Como-funciona-o-tratamento-de-efluentes-industriais

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http://www.slideshare.net/guest3c1e728/tratamento-de-guas-residuais

http://www.agda.pt/tratamento-de-aguas-residuais.html


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5. Anexos


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processo de ultrafiltração e a sua aplicação em águas...

Documents