APLICAES DO PROCESSO DE OSMOSE REVERSA PARA O APROVEITAMENTO DE GUA SALOBRA DO SEMI-RIDO NORDESTINO

Moura, J.P.; Monteiro, G.S.; Silva, J.N.; Pinto, F.A.; Frana, K.P. Universidade Federal de Campina Grande-UFCG-LABDES-Laboratrio de

Dessalinizao Email para correspondncia: jsolar07@gmail.com

1 Introduo

A gua que vemos hoje nos rios, lagos e mares a mesma em que os dinossauros se banhavam e matavam sua sede, a mesma gua que esta sobre o planeta a bilhares de anos desde a origem da terra. A quantidade total de gua sobre o planeta de 1,384 sextilho (106) de litros, que se distribuem da seguinte forma: 97,5% nos oceanos, 1,8% na forma de gelo, 0,6% nas camadas subterrneas, 0,015% nos lagos e rios, 0,005% de umidade do solo, 0,0009% em forma de vapor na atmosfera e 0,00004% na matria viva.

Segundo os nmeros acima citados tem-se que existe menos de 1% de gua doce que pode ser explorada. Outro problema que a gua se encontra na superfcie apresenta uma distribuio extremamente desigual, ou seja, enquanto ela abundante em algumas regies do mundo, como no sul do Brasil, onde durante quase todo o ano proporciona um espetculo de tirar o flego nas cataratas da Foz do Iguau, em outros sua ausncia sinnimo de pobreza e fome. A ciencia e a Industria j esto se mobilizando para combater este problema atravs de programas extensivos de combate ao desperdcio, preservao da natureza, das fontes hdricas, transposio de vazes e explorao do subsolo.

Estudos apontam que existe no Nordeste, uma disponibilidade atual de 300.000 m3 de gua salinizada em poos e audes inativos, que potencialmente poderiam abastecer mais de 12 milhes de habitantes no semi-rido, regio esta muito castigada pela seca. Uma das solues para combater esta falta de gua e aproveita as que se encontram inadequadas para o consumo humano, so os Sistemas de Dessalinizao Via Osmose Inversa, onde se faz uso de membranas semipermeveis com a finalidade de diminuir a quantidade de sais presentes na mesma.

2 Fundamentos Tericos

2.1 Dessalinizao

O objetivo dos processos de dessalinizao ate hoje desenvolvidos o de remover os sais diludos nas guas de um modo geral, tornando-as desta forma, uma gua de boa qualidade para o consumo humano.

O que diferencia os vrios dessalinizadores disponveis no mercado so as qualidades dos materiais neles empregados, a tecnologia de produo, o grau e automao incorporado, a experincia do fabricante e o tipo de membrana utilizada.

Com o avano das pesquisas, a primeira membrana sinttica foi desenvolvida em 1867 por Moritz Traube. Este por sua vez, foi o ponto de partida para o desenvolvimento de membranas que pudessem dessalinizar gua. Surgiram ento as membranas de acetato de celulose em 1953 criadas por Reid e Breton possuindo um bom desempenho como membranas permeveis, mas por sua vez, apresentavam baixa taxa de rejeio de sais e baixo fluxo de permeado. Logo em seguida surgiram as membranas de poliamida aromtica com melhores taxas de rejeio de sais e que no sofrem biodegradao.

O avano na tecnologia de membranas no para por ai, a crescente demanda e aplicao industrial tem sugerido investimentos contnuos no desenvolvimento de novas membranas com maiores taxas de rejeio de sais, para a obteno de gua com um maior grau de potabilidade.

Existem diversos processos de purificao de gua, mas s podemos retirar sais dissolvidos atravs dos processos trmicos e de membranas, os processos mais utilizados esto listados logo abaixo:

- Processos Trmicos:

Destilao Flash com Mltiplos Estgios (MSF) Destilao Mltiplos Efeitos (MED) Destilao por Compresso de Vapor (CV)

- Processos de Membranas

Osmose Inversa (OI) Eletrodilise (ED)

Todos os mtodos citados apresentam vantagens e desvantagens em suas aplicaes e em relao aos seus custos de instalao, consumo de energia, manuteno, operao,

volume de gua tratada, volume de rejeito, qualidade da gua produzida, tempo e espao fsico utilizado.

De uma maneira geral cada processo ou variao tecnolgica, opera melhor dentro de uma determinada faixa de salinidade, onde esses nmeros esto representados a seguir:

Tabela 2.1.1 Processos de Dessalinizao com Relao Concentrao. Processo Concentrao Destilao 10.000 a 50.000 mg/L

Congelamento 5.000 a 50.000 mg/L Eletodialise 1.000 a 5.000 mg/L Troca Inica 10 a 2.000 mg/ L

Osmose Inversa 1.000 a 15.000 mg/ L

2.2 Consideraes Bsicas Sobre Processos Com Membranas.

As membranas constituem, atualmente, a principal inovao tecnolgica nos processos de tratamento de gua, sendo a primeira grande inovao, desde o desenvolvimento das tecnologias convencionais de tratamento de gua no incio do sculo passado.

A filtrao define-se como a separao de dois ou mais componentes de uma corrente fluida baseada, primeiramente, na diferena de tamanhos. Convencionalmente, a filtrao refere-se separao de partculas slidas de correntes lquidas ou gasosas. A filtrao por membranas estende esta aplicao separao de solutos dissolvidos em correntes lquidas e a separao de misturas gasosas.

Uma membrana uma barreira que separa duas fases e que seletivamente transfere massa entre essas fases. A membrana tem assim a capacidade de transportar determinados componentes mais eficazmente, retendo outros que fazem parte da mistura de alimentao. , portanto uma barreira permevel e seletiva ou uma interface entre duas fases. A Figura 2.2.1 apresenta um esquema da separao por membranas.

O que distingue o processo de separao de membranas de outras tcnicas de separao a utilizao de uma outra fase, a membrana. Esta fase, slida, lquida ou gasosa, introduz uma interface entre o volume das duas fases envolvidas na separao e pode originar vantagens de eficincia e seletividades.

Figura 2.2.1 Representao Esquemtica do Processo de Separao por Membranas.

2.3 Membranas Semipermeveis

Membranas semipermeveis so membranas existentes na natureza que tem a capacidade de deixar passar somente um liquido, ou solvente, mas no deixa passar sais nela dissolvidos.

As membranas so um dos elementos mais importantes para que ocorra o processo de osmose inversa, podendo apresentar-se em vrios tipos:

As membranas assimtricas so feitas na forma de uma estrutura composta, consistente de uma pelcula fina de densidade alta e um substrato poroso do mesmo polmero, que oferece um suporte e apresentam a mesma composio qumica. A pelcula fina superficial possui a capacidade de rejeitar os sais dissolvidos da soluo durante a dessalinizao da gua, enquanto que o substrato poroso tem o objetivo de oferecer a resistncia fsica membrana, tornado assim inerte ao desenvolvimento do fluxo do permeado (fluxo de gua potvel).

As membranas de acetato de celulose tambm so do grupo de membranas assimtricas, esse tipo de membrana era muito utilizado, mais com o avano das pesquisas, ela esta sendo trocada pelas membranas de poliamida aromticas, suas vantagens so: baixo custo de produo, resistncia ao ataque por cloro, entre outras. Suas desvantagens so as seguintes: taxas de rejeio de sais mais baixas, baixo fluxo do permeado o que requer elevadas presses de operao.

As membranas de poliamida aromtica apresentam maiores vantagens em relao s membranas de acetato de celulose, assim como seguem: taxas de rejeio superiores, taxas de rejeio de molculas orgnicas superiores, elevada taxa de rejeio de slica (98%). Os elementos de membranas utilizadas em escala industrial para dessalinizao so do tipo espiral. No modulo espiral apresentado na figura abaixo, utiliza-se membrana entre dois espaadores, um destes serve como um canal coletor para o permeado, enquanto o outro fornece espao para escoar a soluo de alimentao. As membranas conjuntamente com os espaadores so enroladas em torno de um duto perfurado, para o qual o permeado escoa, o conjunto selado externamente com resina epxi.

Figura 2.3.1 Elemento de membrana em espiral para o processo de osmose inversa. 2.4 Membranas de Poliamida Aromticas.

As Membranas Aromticas de Poliamida so membranas de pelculas finas composta, e so exemplos de membranas simtricas.

As membranas simtricas ou isotpicas ou ainda membranas orgnicas de primeira gerao so membranas com poros regulares, quase cilndricos que atravessam toda a espessura da membrana, podem ser porosas, no-porosas ou densas. Apresentam uma espessura entre 10 a 200 m. A porosidade e a produtividade dessas membranas so muito pequenas pela necessidade de limitar o volume ocupado pelos poros, para evitar o colapso das membranas quando pressurizadas. As membranas densas simtricas no apresentam nenhum interesse do ponto de vista comercial. So filmes polimricos de espessura relativamente elevada e, por este motivo, apresentam um fluxo do permeado muito baixo, fora da faixa de interesse comercial.

2.5 Membranas de Acetato de Celulose

As membranas de Acetato de Celulose, so exemplos de membranas assimtricas. As membranas assimtricas ou anisotrpicas ou membranas de segunda gerao so caracterizadas por um gradiente de porosidade interno, gerado pelo controle das condies de polimerizao da membrana, onde estas so constitudas por uma camada densa homognea, muito fina (camada ativa ou pele), cuja espessura pode variar entre 0.1 a 0.5 m, suportada por uma camada porosa com uma espessura entre 50 a 150 m. A reduzida espessura da pelcula filtrante, diminui consideravelmente a resistncia filtrao, que proporcional espessura da membrana. As membranas assimtricas so constitudas de um nico tipo de polmero.

Este tipo de membrana possui custos de fabricao mais baixos por ser fabricada em apenas uma etapa de produo. Por este mtodo de fabricao, torna-se muito difcil obteno de um produto de elevada qualidade, devido existncia de pequenos poros formados na superfcie da membrana.

Este problema s pode ser resolvido com a utilizao de prticas que acabam por determinar o aumento da espessura da pelcula fina, reduzindo, conseqentemente, o fluxo de gua permeado.

Outro problema que ocorre durante a utilizao de tal tipo de membrana a sua tendncia a compactar-se em uma estrutura cada vez mais densa sob a aplicao de elevadas presses de modo contnuo durante o regime de operao. Este fenmeno conhecido como compactao da membrana e seus efeitos durante a vida til da mesma devem ser levados em conta na fase do projeto do sistema.

2.6 Membranas de Compsito de Filme Fino (TFC)

As membranas compostas que veio com o aperfeioamento do processo de construo das membranas assimtricas so conhecidas tambm como membranas da terceira gerao.

Os cartuchos de membranas espirais so os mais utilizados em aplicaes de osmose inversa, normalmente so do tipo TFC fabricados em poliamida, com rejeio de sais superior a 99%.

As membranas em poliamida TFC (Thin Film Composite) consistem de uma camada suporte (porosa) e uma camada densa de um filme fino que uma pele de membrana tranada, formada no local sobre a camada suporte, normalmente feita em polisulfona. Este processo de fabricao das membranas possibilita o aproveitamento das propriedades do suporte e da pele (rejeio de sais).

A membrana TFC caracterizada pela grande vazo especfica de gua e maior rejeio de sais que as membranas de acetato de celulose. Cada elemento de membrana consiste de um envelope de filme e espaador, enrolado ao redor de um tubo central que o coletor da gua permeada conforme mostra a Figura 2.6.1.

Figura 2.6.1 Membranas em poliamida TFC. A Figura 2.6.2, apresenta um esquema das estruturas das membranas, mostrando as trs geraes de membranas orgnicas.

Figura 2.6.2: (a) Membrana simtrica; (b) membrana assimtrica; (c) membrana composta.

2.7 gua de Alimentao

A gua de alimentao a matria principal para produo de gua potvel em sistemas de osmose inversa e sua qualidade depende diretamente do tipo de fonte hdrica que alimenta o sistema. A composio fsico-qumica da gua subterrnea apresenta menor ndice de variao, durante as estaes climticas, do que a gua superficial. As guas superficiais (rios, lagos e do mar) so caracterizadas pelo nvel de slidos suspensos, atividades microbiolgicas e variaes climticas. Em funo destas observaes, antes de projetar um sistema de dessalinizao, se faz necessrio obter uma boa anlise da gua de alimentao.

2.8 Processos de Separao com Membranas

O processo de separao por membranas caracterizado pelo fato da corrente de alimentao ser dividida em duas correntes, a de concentrado e a de permeado, o que implica que ou a corrente de concentrado ou a de permeado ser o resultado da separao (produto). As partculas e os solutos retidos na superfcie da membrana so continuamente removidos no concentrado que flu tangencialmente ao longo da superfcie da membrana, denominado de fluxo cruzado. A soluo purificada flui atravs da membrana como permeado conforme mostra a Figura 2.8.1.

Figura 2.8.1 Correntes no processo de separao por membranas.

2.9 Osmose

O fenmeno de osmose foi descoberto por Abb Nollet h mais de 200 anos quando ele observou o transporte da gua atravs de uma bexiga de porco que tampava a boca de uma jarra contendo esprito de vinho.

Somente em 1855, mas de 100 anos aps a experincia de Nollet, Fick publicou sua lei da difuso, que ate hoje utilizada para descrever muitos fenmenos que ocorrem em membranas. Alguns anos mais tarde, Graham estudou a permeao de gases atravs de borrachas e efetuou as primeiras medidas experimentais de dilise utilizando membranas sintticas.

Os seres vivos deparam-se com a osmose desde sua origem, uma vez que tudo indica que eles surgiram em meio aquoso como sistemas isolados do ambiente por uma membrana semipermevel. Durante o processo evolutivo os seres vivos desenvolveram no s maneiras e evitar problemas causados pela osmose (inchao ou dessecamento), como tambem processos que aproveitam a dinmica osmtica nos fenmenos biolgicos.

Somente no final do sculo XIX a palavra osmose foi adicionada aos nossos dicionrios. Derivada da palavra grega osms, significando impulso, a palavra osmose tem sido difundida pelos grandes pensadores de toda a historia como uma das menes da palavra vida.

A osmose um fenmeno fsico-qumico natural, quando dois lquidos com diferentes concentraes de sais em soluo so separados por uma membrana semipermevel, naturalmente o solvente da soluo mais diluda passa pela membrana em direo da concentrao mais concentrada. O processo continua ate alcanar um ponto de equilbrio, no qual a coluna da soluo mais concentrada estar acima da mais diluda, esta diferena de altura entre as colunas se denomina presso osmtica.

2.10 Bomba de Alta Presso

A bomba de alta presso o componente do sistema que gera a presso necessria para as membranas produzirem uma vazo de gua requerida com certa qualidade. Usualmente, as bombas so do tipo: estgio nico, centrfuga de alta velocidade, pisto com deslocamento positivo, centrfuga com multi-estgios.

Figura 2.10.1 Motor bomba de alta presso.

2.11 Processo de Osmose Inversa

A osmose inversa ou hiperfiltrao acontece quando uma presso mecnica superior a presso osmtica aplicada no lado da soluo mais concentrada invertendo-se, desta maneira, o sentido do fluxo de soluto que atravessa a membrana, obtendo-se assim uma corrente de gua purificada isenta de sais, vrus, bactrias e fungos. A taxa de transporte de gua atravs da membrana depende das propriedades da mesma, da temperatura da soluo, da diferena de presso aplicada na membrana, e a baixa diferena de presso osmtica entre e soluo mais concentrada e a de menor concentrao, na figura 2.11.1, esta ilustrado um processo de osmose inversa:

(a) (b) (c) Figura 2.11.1 Representao do processo de osmose e osmose inversa: (a) duas solues, uma salina e outra sem sal, separadas por uma membrana semipermevel; (b) a gua pura

dilui a salgada at que seja atingido o equilbrio osmtico; (c) a aplicao de uma presso superior diferena de presso hidrosttica inverte o processo.

Na osmose inversa, as membranas so um dos elementos mais importantes, sua funo caractersticas de seletividade induz ao desenvolvimento de membranas para a dessalinizao em escala industrial. Existe hoje, vrios tipos de membranas seletivas para diferentes processos, onde as mais utilizadas so as membranas de poliamida aromticas, estas por sua vez, possuem uma alta rejeio de sais e matrias orgnicas, no biodegradveis, possuem baixa taxa de compactao e podem trabalhar com uma faixa de temperatura superior a 45oC e alta taxa de rejeio de slica, sua desvantagem pode ser comentada apenas a sua sensibilidade ao cloro. A tabela 1.4.1 abaixo mostra alguns dos principais processos de separao em escala comercial.

Tabela 2.11.1. Processo de separao por membranas comerciais. PROCESSO FORA MOTRIZ METIAL

RETIDO MATERIAL QUE PERMEIA

APLICAES

MICROFILTRAO (MF)

P (0,5 2 atm)

Material em Suspenso,

Bactrias PM > 500.000 (0,01m)

gua e Slidos Dissolvidos

Esterilizao Bacteriana,

Clarificao de Vinhos e Cervejas,

Oxigenao do Sangue.

ULTRAFILTRAO (UF)

P (1 7 atm)

Colides, Macromolculas

PM > 5000

gua (Solvente), Sais Solveis de

Baixo Peso Molecular

Fracionamento e concentrao de

Protenas, Recuperao de

Pigmentos. NANOFILTRAO

(NF) P

(5 25 atm) Molculas de Peso Molecular Mdio 500 < PM < 2000

gua, Sais e Molculas de Baixo

Peso Molecular

Purificao de Enzimas,

Bioreatores a Membranas.

OSMOSE INVERSA (OI)

P (15 80 atm)

Todo Material Solvel ou em

Suspenso

gua (Solvente) Dessalinizao de guas,

Concentrao de suco de Frutas.

DIALISE (D)

C Molculas de PM > 5000

ons e Orgnicos de Baixo Peso Molecular

Hemodilise (Rim Artificial),

Recuperao de NaOH.

ELETRODILISE (ED)

V Macromolculas e Compostos no

Inicos.

ons Concentraes de Solues Salinas,

Purificao de guas.

PERMEAO DE GASES (PG)

P=>C Gs Menos Permevel

Gs Mais Permevel

Recuperao de Hidrognio,

Separao CO2/CH4 PERVAPORAO

(PV) Presso de Vapor Liquido Menos

Permevel Liquido Mais

Permevel Desidratao de

lcoois.

2.12 Vantagens e Aplicaes do Processo de Osmose Inversa

2.12.1 Vantagens:

O processo de osmose inversa possui vantagens em ralao aos processos tradicionais de dessalinizao e apresenta-se como a melhor alternativa existente para certas regies e ainda mostra ser mais econmica que caminhes pipa, as vantagens so:

- Possuir baixo custo de investimento; - Baixo consumo energtico; - Ocupa rea muito reduzida para instalao; - Aproveitamento os efluentes; - Qualidade constante da gua produzida; - Processo continuo; - Possui flexibilidade para futuras instalaes; - Sua taxa de rejeio chega a 99,4%.

2.12.2 Aplicaes:

A dessalinizao de guas para produo de gua potvel a maior aplicao da osmose inversa e j se encontra consolidada a nvel mundial, representando cerca de 34% dos 15 bilhes de m3/dia de gua que so dessalinizadas, abaixo esto citadas outras aplicaes:

- Tratamento de guas; - Recuperao e produtos em efluentes; - Ultrafiltrao de leite integral e desnatado para aumentar o rendimento na produo de queijo; - Concentrao de sucos: laranja, tomate, maa; - Separao e concentrao de microsolutos tais como: antibiticos, vitaminas e cidos orgnicos; - Tratamento da gua na produo de papel e celulose; - Tratamento de gua ultrapura para hemodilise; - Fracionamento e concentrao de albumina de ovos, protenas animais, peixes e vegetais; - Remoo de contaminantes ( Ex. purificao de uria); - Concentrao e recuperao de corantes, lubrificantes, etc.

2.13 Principais Cuidados com um Dessalinizador

Dessalinizadores so equipamentos que necessitam de cuidados pr-estabelecidos para que a operao se realize com qualidade freqente.

Em se tratando de gua salobra, podemos supor que a salinidade mxima seja de 3.000 ppm, pois na maioria dos casos a salinidade oscila entre 1.600 a 3.000 ppm, sendo 2.500 o valor mais comum.

Uma analise com o teor de clcio ou dureza recomendada, pois isto dir a maior ou menor freqncia de limpeza qumica do equipamento, embora no influa nas variveis

de operao, se a gua apresentar sedimentos, isto , se for suja, filtros de pr-tratamento devero ser colocados.

A gua produzida normalmente se exige uma salinidade menor que 250 ppm, pois este o limite estabelecido pela OMS.

2.14 Incrustaes

Durante o processo de dessalinizao podem surgir alguns problemas que afetam a produtividade do sistema, como as incrustaes. Estes por sua vez so fenmenos capazes de provocar uma queda no fluxo do permeado e/ou o aumento da passagem de sais com o passar do tempo.

As incrustaes podem ser entendidas como todo o material em suspenso na gua e que se deposita na superfcie da membrana. Podem ser classificadas por quatro categorias: depsitos inorgnicos (scaling), colides (fouling coloidal), slidos em suspenso e material biolgico (biofouling).

Os colides podem ser de origem mineral ou orgnica, e tendem a coalescer e se aglomerar na rea prxima superfcie da membrana depositando-se nela. Os slidos em suspenso so partculas maiores de origens diversas e que tem tendncia a se depositar na superfcie da membrana. O depsito orgnico de origem biolgica constitudo por fungos e bactrias e apresenta maiores problemas porque esto presentes em praticamente todas as guas e normalmente se multiplicam em determinadas condies.

Na prtica, os compostos mais crticos para membranas so: slica, sulfato de clcio, estrncio e brio. Um sal precipita quando a concentrao dos seus componentes ultrapassa o valor limite correspondente ao produto de solubilidade (Kps) e geralmente a precipitao ocorre nos elementos de membranas instalados na sada dos vasos de presso.

2.15 Indicadores de Incrustaes.

O primeiro passo para o desenvolvimento de um sistema de dessalinizao a obteno de uma completa e atual analise da gua, a analise mostrara todos os constituintes inicos bem como turbidez, slidos em suspenso e o total de carbnicos orgnicos.

Os ndices mais utilizados para o teste de incrustao (tanto scalants quanto foulantes) so: ndice de Densidade de Sedimentos (IDS) e o ndice de Saturao de Langelier (ILS). O IDS calculado a partir de trs intervalo de tempo: o primeiro intervalo (ti) o tempo necessrio para a coleta dos primeiros 500ml de permeado, o segundo intervalo (tf) o tempo necessrio para coletar os ltimos 500ml de permeado, o terceiro intervalo (tt) varia de 5, 10 ou 15 minutos que o intervalo entre o termino da coleta dos primeiros 500ml de permeado e o inicio da coleta dos segundos 500ml. O tempo padro para o terceiro intervalo de tempo 15 minutos, mas se a taxa de filtrao for bastante reduzida podem ser utilizados intervalos mais curtos, a equao utilizada para calcular o IDS a seguinte:

O equipamento bsico mostrado na Figura 2.15.1 consiste de um sistema de filtrao pressurizada equipado com filtros de 0.45m e dimetro de 47mm. A amostra deve ser filtrada a uma presso de 2,0 kgf/cm2.

Figura 2.15.1 Equipamento bsico para medida de IDS.

O IDS usado para predizer a estabilidade de carbonato de clcio na gua, ou seja, se a gua precipitara, dissolvera ou esta em equilbrio com o carbonato de clcio. Langelier desenvolveu um mtodo a partir do pH, onde a gua se encontra saturada em carbonato de clcio (chamado pHs), o ISL definido pela diferena entre o pH atual e o pH de saturao (pHs).

Se o pH atual da gua se encontra abaixo do pHs, o ISL negativo, isso implica que a gua possui um potencial muito limitado de incrustao, se o pH exceder o pHs, o ISL

positivo e a gua se encontra supersaturada com CaCO3, a qual possui tendncia de formao de incrustao, medida que o ndice aumenta positivamente, o potencial de formao de incrustao tambm aumenta, a equao utilizada papa o calculo do ISL a seguinte:

ISL = pH pHs

pHs = (9,3 +A + B) (C + D)

Onde:

A = [log (TDS) 1]/10 B = -13,12 x log(oC + 273) + 34,55 C = log (Ca+2 como CaCO3) 0,4 D = log (Alcalinidade como CaCO3)

2.16 Operao e Manuteno

A operao e manuteno so as chaves do sucesso do desempenho do sistema de dessalinizao. Recomenda-se a formao de um banco de dados, o qual deve ser regularmente analisado com objetivo de detectar os potenciais dos problemas, antes do sistema entrar em colapso.

Tm-se observado que o custo de troca de membranas se d em funo da falta de manuteno preventiva nos sistemas de dessalinizao. Quando o sistema no apresenta um sistema de pr-tratamento adequado, as membranas passam sob um programa de limpeza qumica com mais freqncia. E quando no so limpas, as impurezas tendem a se depositar na superfcie das membranas causando uma gradual diminuio do fluxo e da rejeio de sais e muito das vezes uma degradao do material da membrana (por exemplo: membrana de acetato de celulose), tornando assim um processo de recuperao irreversvel.

A tcnica mais plausvel identificar a causa da incrustao e determinar um pr-tratamento adequado para evitar sucessivas limpezas qumicas. A limpeza ocorre sob um processo de circulao contnua de uma soluo de limpeza atravs dos elementos de membranas a baixa presso at se perceber a remoo das impurezas.

Antes de fazer a limpeza qumica importante identificar, atravs de anlises na gua de alimentao e do concentrado, os tipos de incrustaes com a finalidade de determinar a soluo de limpeza apropriada para manuteno do sistema.

2.17 Pr-Tratamento

Para uma maior vida til dos elementos de membranas, preciso conhecer as qualidades fsico-qumicos e bacteriolgicas da gua, obtendo-se os valores dos indicadores de incrustaes, possvel determinar qual o melhor tratamento da gua de alimentao.

O pr-tratamento tem o objetivo de reduzir o potencial de incrustaes na gua de alimentao do sistema, devido remoo de partculas micropoluentes e microrganismos, bem como a preveno da formao de incrustao inorgnica, melhorando assim a

qualidade da gua de alimentao num nvel que resultara uma maior segurana de operao do sistema. Geralmente utiliza-se solues de acido clordrico com pH 3, com a finalidade de combater as incrustaes que se depositam sobre as membranas, (o tipo de acido para a soluo depende do grau e do tipo de incrustao), principalmente as formadas a partir de slica (compostos de dixido de silcio SiO2 ).

guas de subsolo esto geralmente biologicamente estabilizadas, ou seja, possuem poucas cargas de microrganismos e baixa disponibilidade de compostos orgnicos utilizados por estes microrganismos. Estas guas podem ser bombeadas para o sistema de OI sem pr-tratamento, mas para garantir a operao segura do sistema pode-se fazer adio de anti-incrustantes, correo de pH e pr-filtrao atravs de filtros cartucho de 5m.

A dessalinizao de guas de superfcie por OI depende do pr-tratamento da gua de alimentao para remover microrganismos e reduzir a quantidade de matria orgnica disponvel para o crescimento destes organismos nos canais de alimentao no interior dos mdulos de membranas. O ideal seria que a gua bruta tivesse valores de IDS o mais baixo possvel (

2.19 Processo de Limpeza Qumica.

Para dar inicio a limpeza qumica, necessrio o preparo da soluo especifica para cada tipo de incrustao que se deseja combater, onde esta soluo colocada em um tanque com uma capacidade volumtrica de 50 litros, em seguida, o equipamento ajustado para no mais produzir gua dessalinaizada, este procedimento feito para que a baixa presso o acido aplicado no danifique as membranas. Liga-se o equipamento fazendo com que a soluo passe pelas superfcies das membranas e seja descartada por um perodo de cinco minutos, aps este procedimento completa-se p tanque de limpeza com a soluo acida e em seguida deixa-se o dessalinazador funcionando por um perodo de duas horas ou mais, depois desse tempo de funcionamento, os elementos de membranas ficaram embebidos na mesma soluo durante mais duas horas. Descarta-se novamente a soluo, e durante um perodo de tempo de trs horas lava-se os elementos de membranas com reciclo constante da soluo acida.

Em alguns casos, no necessrio o procedimento de limpeza acima citado, devido ao grau de manuteno do equipamento realizado pelo prprio operador, nestes casos, a lavagem dos elementos de membranas feita com gua dessalinizada do prprio equipamento, com o objetivo de expulsar todos os resduos remanescentes em cada membrana e deixar o pH neutro.

No primeiro caso, a limpeza das membranas no sofre o efeito da presso, enquanto que no segundo, com a gua dessalinizada geralmente aplicada uma presso que varia de 8.0 a 12 Kgf/cm2 para uma maior segurana na expulso dos resqucios cidos e tambm para no haver contaminao da gua dessalinizada.

2.20 Perodo Necessrio para a Limpeza Qumica.

Uma regra bsica de todos os fabricantes de membranas de dessalinizadores que as lavagens qumicas devem ser realizadas quando a produo de gua diminui 10% ou a presso de operao tiver de ser aumentada em 10% para manter a mesma produo anterior.

Isto em equipamentos de pequeno porte muito difcil de monitorar porque a preciso dos instrumentos indicadores de presso e principalmente vazo muito pobre, ou seja, quando se detecta uma diminuio significativa na produo de gua doce porque a membrana j esta seriamente comprometida.

Ento, deve-se adotar umas posturas preventivas, que um programa de lavagens com gua doce e produtos qumicos, onde a limpeza qumica deve ser realizada a cada trs meses.

2.21 Ps-Tratamento

O processo utilizando membranas remove essencialmente todos os microorganismos, dentre eles os patognicos, a maioria dos sais e outros solutos presentes na gua de alimentao, porem, todos os gases dissolvidos, incluindo dixido de carbono e hidrognio sulfidrico passa atravs da membrana. Com a finalidade de remover esses gases

do permeado, o processo de osmose inversa necessita de alguns pos-tratamentos antes de ser utilizado para o consumo humano.

O ps-tratamento tratamento pode ser separado em duas deferentes unidades operacionais, a primeira a estabilizao do permeado e a segunda a desinfeco, a escolha e seqncia dessas unidades operacionais variam de acordo do sistema e da qualidade da gua.

Os principais mtodos utilizados no pos-tratamento so: ozonizao, correo de pH, irradiao com luz ultravileta, desinfeco e oxidao.

2.22 Variveis de Medidas.

Como em todos os equipamentos, um sistema de dessalinizao utiliza algoritmos matemticos para um melhor funcionamento do mesmo, sendo necessrio uma breve reviso das variveis de medidas que regem a dinmica de execuo do sistema.

Logo abaixo esto listadas as variveis de medidas mais utilizadas nos sistemas de dessalinizao:

Temperatura

A variao da temperatura afeta a presso osmtica e o fluxo da gua, o efeito da temperatura ser visto na equao (2.23.5) que ser vista posteriormente.

Presso

Para uma dada condio de alimentao, os resultados do aumento da presso mostram elevao do fluxo de permeado da gua por unidade de rea da membrana.

Vazo

Tanto para a gua permeada quanto para a gua rejeitada existe um valor numrico de produo e vazo, esta por sua vez a quantidade de gua produzida por temo de funcionamento, algumas converses sero encontradas na tabela logo abaixo.

Tabela 2.4.1 Converses de Unidades de Presso. mmHg In Hg bar atm KPa

1 3,937 x 10-2 1,333 x 10-3 1,316 x 10-3 0,1333 25,40 1 3,387 x 101 3,342 x 10-2 3,387

750,06 29,53 1 0,9869 100,0 760,0 29,92 1,013 1 101,3 75,02 0,2954 1,000 x 10-2 9,872 x 10-3 1

2.23 Principais Equaes que Regem o Processo de Osmose Inversa.

O fluxo do permeado atravs de uma membrana de osmose inversa proporcional rea da membrana e a variao de presso osmtica e hidrulica, e dado pela seguinte equao:

Q = A . S . (Pa - pi - P - Pp) (2.23.1)

Onde: Q a taxa de fluxo permeado (g/s), A o coeficiente de permeao de gua (g/cm2 . s . atm), S a rea da membrana (cm2), Pa a Presso aplicada (atm), pi a Presso osmtica diferencial (atm), P a perda e Presso hidrulica (atm), Pp a Presso do permeado (atm).

Taxa de Rejeio de Sais

A taxa de rejeio de sais (TRS) fornece a capacidade da membrana de rejeitar os sais dissolvidos durante a permeao da gua.

100(%) xC

CCTRS

a

pa = (2.23.2)

Onde: TRS a taxa de rejeio de sais, Ca concentrao de alimentao (mg/l), Cp a concentrao do permeado (mg/l).

Recuperao do Sistema.

A recuperao do sistema refere-se a vazo da gua de alimentao convertida em gua purificada e depende de vrios fatores, como a formao de scalling na superfcie das membranas, a presso osmtica e a qualidade do permeado.

rp

p

a

p

QQQ

QQ

r+

== (2.23.3)

Onde: R ao nvel de recuperao do sistema, Qp a vazo da gua produzida, Qa a vazo da gua de alimentao e Qr a vazo da gua de rejeito. Com o aumento do nvel de recuperao do sistema, mais gua convertida em produto, isto reduz o volume da gua a ser rejeitada e conseqentemente aumenta o valor da concentrao de sais dissolvidos na corrente de rejeito, assim como a possibilidade de sua precipitao na superfcie da membrana.

Concentrao de Sais Dissolvidos.

Quanto concentrao de sais dissolvidos na corrente do rejeito pode ser calculada com auxilio da seguinte equao:

r

CC ar

=

1 (2.23.4)

Onde: Cr a concentrao de sais dissolvidos na corrente do rejeito (mg/l), Ca a concentrao de sais dissolvidos na corrente de alimentao (mg/l), R o nvel se recuperao do sistema (%).

Presso Osmtica.

A presso osmtica funo da concentrao de sais e do tipo das molculas orgnicas contidas na gua de alimentao, quanto maior for a concentrao da soluo, maior ser o valor da presso osmtica dessa soluo.

= RTciipi (2.23.5)

Onde: pi a presso osmtica da soluo inica (kgf/cm2), o no de ons formados na dissociao do soluto, c a concentrao molar do soluto (mol/L), R a constante dos gases (kgf L / cm2 mol K), T a temperatura (K).

Fluxo de Permeado e de Soluto.

Na osmose inversa, os sais dissolvidos e molculas orgnicas retidas na superfcie da membrana causam o aumento da concentrao prxima a superfcie da mesma, este aumento de concentrao causa um acressimo no valor da diferena de presso osmtica da soluo, o que tende a diminuir o fluxo de permeado e de soluto, so dados respectivamente, por:

( )A

QPKJ pww == pi (2.23.6)

Onde: Jw a taxa de fluxo de permeado, Kw o coeficiente de transferncia de massa do solvente, P o gradiente de presso aplicado, pi o gradiente de presso osmtica, Qp a vazo do permeado e A a rea de permeao da membrana.

ACQ

CKJ ppii == (2.23.7)

Onde: Ji o fluxo mssico do soluto, Ki o coeficiente de transferncia de massa o soluto, C o gradiente de concentrao e Cp a concentrao do permeado, neste caso P, pi, e C so dados por:

( ))2( p

ca

PPPP

+= (2.23.8)

( )( )p

ca

pi

pipipi

+=

2 (2.23.9)

( )( )p

ca

CCCC

+=

2 (2.23.10)

Onde: Pa, Pc, Pp so a presso de alimentao, do concentrado e do permeado, respectivamente, pia, pic, pip so a presso osmtica da alimentao, do concentrado e do permeado, respectivamente, Ca, Cc, Cp so a concentrao de alimentao, do concentrado e do permeado respectivamente.

pi pode ser dado ainda por

( ) 410.033,72

+= pca STD

STDSTDpi (2.23.11)

Onde: TDSa o total de sais dissolvidos na corrente de alimentao, TDSc o total de sais dissolvidos na corrente do concentrado e TDSp o total de sais dissolvidos na corrente do permeado.

O TDS dado em mg.L-1 e pi dado em Kgf.cm-2. O fator 7,033.10-4 converte a concentrao para presso.

2.24 Caractersticas Fsicas das guas.

O tratamento de guas se d pela determinao das caractersticas fsicas e qumicas as quais indica se a mesma se encontra em um estado que possa ser consumido ouse necessita de um tratamento prvio. Na regio do semi-rido Nordestino, como boa parte da gua consumida de procedncia de poos artesianos, as caractersticas fsicas mais usadas so as seguintes:

Cor

A aparncia da gua pode ser um fator significante na satisfao de seu consumo, a gua pura eventualmente ausente de cor, a presena de substancias dissolvidas ou em suspenso altera a cor da gua, dependendo da quantidade e da natureza do material presente.

Turbidez

A turbidez uma caracterstica da gua devida a presena de partculas suspensas na gua com tamanho variando desde suspenses grosseiras aos colides, dependendo do grau de turbulncia, a presena dessas partculas provoca a disperso e a absoro da luz, dando a gua uma aparncia nebulosa, esteticamente indesejvel e potencialmente perigosa, a turbidez pode ser causada por uma variedade de materiais: partculas de argila ou lodo, descargas de esgotos domsticos ou a presena acentuada de microrganismos.

Potencial Hidrogeninico (pH)

O termo pH usado universalmente para expressar a intensidade de uma condio acida ou alcalina de uma soluo, mede-se a concentrao de on hidrognio ou sua atividade, importante em cada fase do tratamento, sendo referida freqentemente na dessalinizao.

Sabor e Odor

As caractersticas de sabor e odor so consideradas em conjunto, pois geralmente a sensao de sabor origina-se do odor, so de difcil avaliao, por serem sensaes subjetivas, causadas por impurezas dissolvidas, geralmente de natureza orgnica como fenis e clorofenis resduos industriais, gases dissolvidos entre outros.

Temperatura

A temperatura da gua tem importncia por sua influencia sobre outras propriedades: acelera reaes qumicas, reduz a solubilidade dos gases, acentua a sensao sabor e odor entre vrios outros fatores.

Condutividade Eltrica.

A condutividade eltrica depende as quantidades de sais dissolvidos na gua e aproximadamente proporcional a sua quantidade, sua determinao permite obter uma estimativa rpida do contedo de slidos dissolvidos na amostra.

Alcalinidade

A alcalinidade devida a presena de bicarbonatos (HCO-3), carbonatos (CO3-2) ou hidrxidos (OH-). Com maior freqncia, a alcalinidade das guas devida a bicarbonatos, produzidos pela ao do gs carbnico dissolvido na gua sobre as rochas calcarias. Em funo do pH, podem estar presentes na gua os seguintes tipos de alcalinidade:

pH 11,0 9,4 Alcalinidade de Hidrxidos e Carbonatos pH 9,4 8,3 Carbonatos e Bicarbonatos pH 8,3 4,6 Somente Bicarbonatos pH 4,6 3,0 cidos Minerais

Dureza

uma caracterstica conferida gua pela presena de alguns ons metlicos, principalmente os de clcio (Ca++) e magnsio (Mg++), e em menor grau, os ons ferrosos (Fe++) e do estrncio (S++), a dureza conhecida por sua propriedade de impedir a formao de espumas como sabo.

Ferro e Mangans

O ferro, muitas vezes associado ao mangans, confere a gua um sabor amargo e colorao amarelada e turva decorrente da precipitao do mesmo quando oxidado. O mangans semelhante ao ferro, porem menos comum, e a sua colorao caracterstica o marrom.

Cloretos, Sulfatos e Slidos Totais

O conjunto de sais normalmente dissolvidos na gua, formados pelos bicarbonatos, cloretos, sulfatos e em menor concentrao outros sais, pode conferir a gua sabor salino e uma propriedade laxativa, o teor de cloretos um indicador de poluio por esgotos domsticos nas guas naturais.

O on sulfato quando presente na gua, dependendo da concentrao alem de outras propriedades laxativas mais acentuadas que outros sais, associados a ons de clcio e magnsio, promove dureza permanente e pode ser um indicador de poluio de uma das fases de decomposio da matria orgnica, no ciclo do enxofre.

Impurezas Orgnicas e Nitratos

A quantidade de nitrognio na gua pode ser uma poluio recente ou remota, inclui-se nesse item o nitrognio, sob as suas diversas formas compostas, orgnico, amoniacal, nitritos, e nitratos, guas com concentrao de nitratos predominantes indicam uma poluio remota os nitritos so o produto final de oxidao do nitrognio.

2.25 Reaproveitamento do Concentrado

Um problema que envolve a dessalinizao o que fazer com a produo dos resduos da filtragem (concentrado), j que eles no podem ser depositados diretamente na natureza, pois este procedimento provoca a salinizao do solo, que prejudicial s culturas que nele crescem.

Atualmente, o manejo do concentrado passou a ser fonte de estudo em funo da qualidade da gua a ser tratada, normalmente para guas de oceano, concentrado vem sendo retornado para o prprio oceano, de forma segura sem perturbar a vida marinha. Quando se trata de guas subterrneas, rios ou lagos, existem varias formas de evitar o contato do concentrado com o solo. O concentrado das unidades de osmose inversa para produo de gua potvel vem sendo utilizado para diversos fins como:

- Tem-se reciclado uma parte do concentrado para alimentao de gados, quando se trata de uma gua de alimentao de baixo teor de sais dissolvidos; - Em algumas vilas, a descarga do concentrado diluda com guas residuais de efluentes; - Em alguns casos, vem-se retornando o concentrado para a prpria fonte; - Na rea agrcola, o concentrado vem sendo utilizado irrigao tipo spray, dependendo da concentrao de sais dissolvidos no concentrado, essa tcnica dificulta a ocorrncia de pontos de concentrao localizadas no solo; - Pode ser utilizado a obteno de soda caustica, acido clordrico ou acido sulfrico a partir do concentrado da dessalinizao; - Outro processo utilizado a evaporao, que geralmente necessita de grande reas e seu desempenho depende da taxa de irradiao solar da regio, tornando-se, em alguns casos, um mtodo improdutivo e caro.

Uma pesquisa vem se destacando, como uma fonte de recurso alimentar a produo de tilpias vermelhas e plantas do gnero Atriplex, essa planta se tornou uma fonte de nutrientes para ruminantes, por conter aproximadamente 16% de protenas, 0,12% de fsforo e 59% de matria orgnica, esse tipo de estudo vem sendo desenvolvido no laboratrio da Embrapa no Estado de Pernambuco.

REFERNCIAS

AHMED, S. P., ALANSARI, M. S., Biological fouling and control at Ras Abu Jarbus RO plant a new approach, Desalination vol. 74, p 69 84, 1989.

ALMEIDA, ALEX M. DE, A Resina de Troca Inica Como Extrator Multielementar em Anlise de Solos Para Fins de Fertilidade. 1999. Dissertao (Mestrado no Instituto de Qumica, Departamento de Qumica Analtica), Universidade Estadual de Campinas, So Paulo. 122p.

AMORIM, EFIGNIA, Adsoro de Tensoativos em Resina Trocadora de Ctions, 1995. Dissertao de Doutorado, Instituto de Qumica, Universidade Estadual de Campinas, So Paulo. 143p.

CIENFUEGOS, F., VAITSMAN, D., Anlise Instrumental, Editora Intercincia Ltda., Rio de Janeiro, 2000.

FILMTEC, Membranes. Basics of RO and NF: Principle of Reverse Osmosis and Nanofiltration. Form No. 609-02003-1004. 2003.

MUCCIATO, J. C..Tratamento com Resinas Trocadoras de ons. Disponvel em: http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?action=detalhe&id=290. Acessado em: 07 de Junho de 2008.