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ASSOCIAÇÃO INSTITUTO DE TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO
Mestrado Profissional em Tecnologia Ambiental
JOSÉ DE SOUSA LEITE
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DAS MEMBRANAS DE OSMOSE REVERSA EM
UM DESSALINIZADOR PARA AGUAS SALOBRAS SUBTERRÂNEA
RECIFE-PE
2012
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Dissertação revisado em 30-01-2013, Notas de estudo de Cultura
Dissertação
Tipologia: Notas de estudo
2017
1 / 37
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ASSOCIAÇÃO INSTITUTO DE TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO
Mestrado Profissional em Tecnologia Ambiental
JOSÉ DE SOUSA LEITE
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DAS MEMBRANAS DE OSMOSE REVERSA EM
UM DESSALINIZADOR PARA AGUAS SALOBRAS SUBTERRÂNEA
RECIFE-PE
JOSÉ DE SOUSA LEITE
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DAS MEMBRANAS DE OSMOSE REVERSA EM
UM DESSALINIZADOR PARA AGUAS SALOBRAS SUBTERRÂNEA
Projeto de Pesquisa apresentado ao Mestrado Profissional em Tecnologia Ambiental, Área de Concentração Contaminação Ambiental e Área Degradada da Associação Instituto de Tecnologia de Pernambuco.
Orientador: Dr. Helmut Muniz Co-orientador: Dra. Helida Karla Philippini da Silva
RECIFE-PE
1 INTRODUÇÃO
Dessalinização é o processo de remoção de sal e outros minerais da água. Ela é mais comumente usada para transformar água do mar e água salobra em água potável, também pode ser aplicada para obter água ultrapura. O processo consome mais energia quando a salinidade da água de suprimento é maior e a pureza da água produzida for maior (DESALDATA.COM, 2010).
A salinidade é definida de acordo com o total de sólidos dissolvidos (TDS). Ele é medido em miligramas por litro (mg/l) ou partes por milhões (ppm) sendo usado para classificar as águas. Água do mar com TDS entre 15.000 a 50.000 mg/l, salobra com TDS entre 1.500 a 15.000 mg/l, rios com TDS entre 500 a 3.000 mg/l e água pura com TDS menor que 500 mg/l (DESALDATA.COM, 2010).
As principais tecnologias de dessalinização são as de separação por membrana e térmica (destilação). A osmose reversa é a principal tecnologia de separação por membrana. As principais tecnologias térmicas são Multistage flash process (MSF) e Multi effect distillation (MED), (COTRUVO, 2005). A figura 1 compara o volume de produção da dessalinização por membrana e térmica.
Figura 1- Nova capacidade anual contratada: térmica vs. membranas
Fonte: DESALDATA.COM, 2010.
Osmose reversa, como mostra a figura 2, é o reverso do processo osmótico natural, realizado aplicando uma pressão maior que a pressão osmótica na solução mais concentrada. Esta pressão força a passagem da água através da membrana contra o gradiente osmótico natural. Assim aumenta a concentração da água (água de abastecimento) em um lado da membrana e aumenta o volume da água com uma baixa concentração de sólidos dissolvidos no lado oposto, o filtrado ou permeado, (USEPA, 2005).
Figura 2- Diagrama conceitual da pressão osmótica
Fonte: USEPA, 2005.
A pressão de operação requerida varia dependendo do TDS da água de abastecimento (potencial osmótico) bem como sobre as propriedades da membrana e temperatura. A pressão pode variar abaixo de 100 psi para algumas aplicações de nanofiltração e para mais de 1000 psi na dessalinização da água do mar usando osmose reversa (USEPA, 2005).
A principal técnica de dessalinização térmica é a destilação (vaporização condensação) os sistemas são destilações Múltiplo Estágio Rápida (Multistage Flash-MSF) e Destilação de Múltiplos Efeitos (Multi-effect Distillation-MED). O princípio do destilador MED é semelhante ao MSF onde cada passo chama-se Efeito, ocorre a diminuição da temperatura e pressão. No destilador MSF a água é aquecida rapidamente quando a pressão de vapor é reduzida rapidamente abaixo da pressão de vapor do líquido a essa temperatura (COTRUVO, 2005).
99,5% e mínima de 99%, (HUNG, 2011). A queda do desempenho também é afetada por incrustações das membranas causadas por pré-tratamento inadequado.
As Incrustações em processos de membranas resultam na perda do desempenho das membranas devido à deposição de substâncias dissolvidas ou suspensas na sua superfície externa e na abertura ou dentro dos seus poros (IUPAC, 1996). O pré-tratamento em sistemas de filtração por membranas é extremamente importante e suas natureza e extensão em muitos casos determina o desempenho geral da planta (WAGNER, 2000-2001).
No Nordeste brasileiro um diagnóstico de sistemas de dessalinização de águas salobras subterrânea em municípios do estado da Paraíba. Avaliou vinte e um dessalinizadores por osmose reversa. Quanto aos problemas ocorridos e ás manutenções, os resultados mostram que em 76% dos sistemas são realizados serviços de manutenção, 85,7% dos sistemas já apresentaram algum tipo de problema e 14,3% ainda não apresentaram problemas em um período médio de cinco anos de funcionamento. Os problemas mais comumente ocorridos nos sistemas de dessalinização foram com o motor bomba e com as membranas dos equipamentos conforme mostra o gráfico na figura 3 (AMORIM, 2004).
Figura 3- Problemas ocorridos nos sistemas de dessalinização avaliados
Fonte: AMORIM, 2004.
A taxa de rejeição média de sais foi de 88,5%, estando um pouco abaixo da taxa de rejeição da osmose reversa que é cerca de 98 %. Os resultados das análises da
água dessalinizada mostram que as mesmas estão em conformidade com os níveis de potabilidade. O nível de recuperação médio dos sistemas foi de 42%, estando bem abaixo da faixa ideal para menor produção de rejeitos que é de 70% e compatibilidade com a técnica da osmose reversa, pois 58% da água salobra dos poços avaliados são convertidos em rejeitos (AMORIM, 2004).
Ainda na Paraíba foram realizados experimentos para projetar dessalizadores. Utilizando o simulador ROSA da Filmtec, comparando a concentração dos parâmetros físico-químicos na corrente de abastecimento d´agua do poço, rejeito e permeado. Apontando desvios entre os valores simulados e os de funcionamento (MONTEIRO, 2009).
Dessa forma, estudar o desempenho das membranas através da queda do fluxo permeado e da passagem de sal é relevante para entender o comportamento delas em condições operacionais no semiárido pernambucano. Contribuindo para o desenvolvimento de membranas mais eficientes e sistemas de pré-tratamento mais adequados.
2 PROBLEMA
O aumento de depósitos de material biológico (Biofouling) e inorgânico provoca danos nas membranas que podem ser irreversíveis. Limpezas químicas são formas de recuperar a queda do desempenho causada por incrustações destes materiais. Quando os danos são irreversíveis usam-se técnicas de autópsia para apontar as causas e corrigir falhas no pré-tratamento no arranjo das membranas e nos parâmetros do sistema (DARTON, 2004).
Para evitar ou minimizar a incrustação é essencial estabelecer um bom pré- tratamento. Assim, pode-se evitar uma queda ainda maior na produtividade do sistema, conforme se observa na figura 4, (NING, 2011).
Figura 5 - Módulos de membranas em aspiral, rejeição de sais normalizada e projetada versus horas de funcionamento.
Fonte: SAFAR, 1998.
Diante da problemática apresentada. Quais os principais fatores que contribuem com a queda do fluxo e a passagem de sais para a agua produzida no dessalinizador estudao?
3 HIPÓTESE
As características físico-químicas e organolépticas da água salobra subterrânea afeta o desempenho das membranas do dessalinizador.
4 OBJETIVO GERAL
Avaliar o desempenho das membranas do dessalinizador através dos programas de normalização ROData XL704 e de projeto IMSdesing da Hydranautics.
4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar as características físico-químicas e organolépticas da água do poço que abastece o dessalinizador, usando estas informações como dados de entrada para a os programas ROData XL 704 e IMSdesing.
Simular o projeto do sistema usando o programa IMSdesing durante a substituição das membranas, época de verão, chuva e na conclusão da coleta de dados.
5 REVISÃO DA LITERATURA
As tecnologias de dessalinização iniciaram antes de cristo, Aristóteles escreveu sobre o assunto no primeiro milênio. No oriente médio foram desenvolvidas técnicas durante o segundo e terceiro milênios (SOFI, 2001). Elas usavam principalmente a energia térmica para separar os sais da água. A separação por membranas, usando a pressão para forçar a passagem da agua através da membrana, é uma tecnologia recentemente.
Dentre o vasto campo de trabalhos científicos, destacam-se alguns mostrados na tabela 1. Eles são os mais relevantes para do desenvolvimento da tecnologia moderna de membranas (LONSDALE, 1981).
Estrutura das membranas de osmose reversa
A estrutura é classificada de acordo com a porosidade como simétrica e assimétrica. As membranas simétricas são fabricadas com poliamida aromática, apresentam uma porosidade regular quase cilíndrica que atravessa toda a espessura da membrana. Podendo ser porosas, não porosas ou densas. Elas apresentam produtividade baixa e são conhecidas como membranas de primeira geração. As membranas assimétricas são fabricadas com acetato de celulose constituídas de um único tipo de polímero e diferença na porosidade interna gerada pelo controle das condições de polimerização da membrana. Esse tipo de membrana possui custo de fabricação mais baixo por ser fabricada em apenas uma etapa de produção. São conhecidas como membranas de segunda geração figura 6 (MOURA et al, 2008).
Figura 6- Membrana simétrica (a); membrana assimétrica (b); membrana composta (c)
Fonte: MOURA et al, 2008.
As membranas compostas, também conhecidas como membranas de compósito de filme fino (TFC). São membranas assimétricas fabricadas em poliamida normalmente em forma de cartuchos espirais. Formada por uma camada suporte (porosa) e uma camada densa de um filme fino que é uma pele de membrana trançada, formada no local sobre a camada suporte, normalmente feita em polisulfona. Com rejeição de sais superior a 99% e elevada produção de permeado maiores que as membranas de acetato de celulose. Elas são conhecidas como membranas de terceira geração (MOURA et al, 2008).
A tecnologia comercial de osmose reversa
A tecnologia comercial de osmose reversa consiste em membranas semipermeáveis para aplicação em osmose reversa. A membrana é formada de uma película fina de material polimérico moldado em espessura de alguns milhares de Angstroms sobre uma camada suporte. A classe comercial deve ter alta permeabilidade à água e um alto grau de semipermeabilidade. Que é a taxa de água transportada muito maior que a taxa de transporte dos íons dissolvidos. As membranas devem ser estáveis sobre uma vasta gama de pH, temperatura e ter boa integridade mecânica. A estabilidade destas propriedades ao longo de um período de tempo e as condições do local da instalação definem a vida útil das membranas comerciais que varia na faixa de 3 a 5 anos (HYDRANAUTICS HIGH PERMORMANCE MEMBRANE PRODUCTS, 2001).
As membranas podem ser construídas de uma ampla variedade de materiais, incluindo acetato de celulose, fluoreto de polivinilideno, poliacrilonitrila, polipropileno, polisulfona, polietersulfona e outros polímeros. Cada um destes materiais possuem diferentes propriedades com relação à superfície de carga, grau de hidrofobicidade, pH e tolerância a oxidantes, robustez e flexibilidade. Atualmente quase todas as membranas fabricadas para produção de água potável são feitas de materiais poliméricos que são significantemente mais baratos do que membranas construídas com outros materiais, (USEPA, 2005).
Figura 9 – Configuração dos módulos, fibra oca (a) e espiral (b)
Fonte: LENNTECH BV, 2001.
Existem muitos avanços tecnológicos e inovação que levam a melhorias significativas nos processos. Todas tendem a reduzir a consumação específica de energia e efeitos nocivos das incrustações inorgânicas e orgânicas para obter membranas de alto fluxo. Outra tendência é a dessalinização com energias renováveis uma combinação atrativa em muitas regiões, ajudando a equilibrar a progressiva dependência de combustíveis fosseis (PEÑATE, 2012).
Balanço de massa em membranas de osmose reversa
O balanço de massa da água para um elemento de membrana pode ser definido pela equação (1), (CRITTENDEN, 2005).
Qa = Qc + Qp (1)
Onde: Qa - vazão de alimentação ou suprimento (m3/h), Qc - vazão do concentrado ou rejeito (m3/h) e Qp - vazão de permeado ou produção (m3/h).
O balanço de massa para materiais dissolvidos na água como mostra à figura 10 pode ser definido pela equação (2), (CRITTENDEN, 2005).
Figura 10- Balanço de massa em membrana
Fonte: CRITTENDEN, 2005.
QaCa = QcCc + Qp*Cp (2)
Onde: Ca – concentração de materiais dissolvidos na água de alimentação ou suprimento (g/m^3 ), Cc – concentração de materiais dissolvidos na água concentrada ou rejeitada (g/m^3 ) e Cp – concentração de materiais dissolvidos na água permeada ou produzida (g/m^3 ).
Pré-tratamento d´agua para osmose reversa
Um pré-tratamento bem dimensionado é fundamental para um bom funcionamento dos sistemas de dessalinização por osmose reversa. Ele tem o objetivo de reduzir o potencial de incrustações na água de alimentação do sistema, devido à remoção de partículas micropoluentes e microrganismos, bem como a prevenção da formação de incrustação inorgânica, melhorando assim a qualidade da água de alimentação a um nível que resultara uma maior segurança de operação do sistema (MOURA et al, 2008).
Os principais indicadores de incrustações em sistemas de dessalinização por osmose reversa são o índice de densidade siltre (IDS) e o índice de saturação de langelier (ISL), (CARTAXO et al, 2006). Para calcular o IDS utiliza os equipamentos mostrados na figura 11.
sendo:
A= [log(TDS) – 1]/10 (6)
B= - 13,12*Log [T(ºC) +273] + 34,55 (7)
C= log (Ca2+^ como CaCO 3 ) – 0,4 (8)
D = log (Alcalinidade como CaCO 3 ) (9)
Onde:
ISL= Índice de Saturação de Langelier; pH = Potencial hidrogeniônico da amostra; pHs =Potencial hidrogeniônico de saturação100; [Ca2+] = concentração de cálcio, g- moles/L.
Desempenho das membranas de osmose reversa
O desempenho das membranas de osmose reversa usadas em dessalizadores pode ser avaliado rapidamente pelo volume da água produzida e rejeição de sais. Sendo o volume de água produzida calculado pelo percentual de recuperação do sistema de acordo com a equação (10), (TAYLOR et al, 1996).
(%) * 100 * 100 c p
p a
p Q Q
Q
Q
r Q (10)
Onde: r - recuperação do sistema (%).
A equação (3) pode ser deduzida por regra de três simples onde:
Qa em m^3 /h – 100% (%) * 100 a
p Q r Q sendo Qa = Qc + Qp
X
Qp em m^3 /h – r % (%) * 100 c p
p Q Q r Q
A rejeição de sais indica a efetividade da remoção de sais e outras espécies químicas pela membrana, possuindo valores que variam de 90 a 99,8% para a maioria dos íons existentes na água de suprimento a equação (11) mostra o cálculo, (BUROS, 1994).
% ( )* 100 ( 1 )* 100 a
p a
a p C
C
C
RS C C (11)
Onde: RS - percentual de rejeição de sais (%).
Aumentando um parâmetro e mantendo os outros constantes avalia-se o desempenho das membranas em relação ao fluxo produzido e ao percentual de rejeição de sais. Quanto maior o percentual de rejeição de sais menor é a passagem de sais através da membrana para a água produzida.
Com o aumento efetivo da pressão de alimentação, o total de sólidos dissolvidos do permeado irá diminuir (maior rejeição de sais) enquanto o fluxo permeado irá aumentar como mostra o gráfico da figura 12 (a). Se a temperatura aumenta, o fluxo permeado e a passagem de sais irão aumentar como mostra o gráfico da figura 12 (b). Recuperação é a taxa de fluxo permeado para o fluxo de alimentação. No caso de aumentar a recuperação, o fluxo permeado irá diminuir e parar se a concentração de sais na água de suprimento da membrana atingir um valor onde a pressão osmótica do concentrado for maior que a pressão aplicada no suprimento gráfico da figura 12 (c). A rejeição de sais ira cair com o aumento da recuperação como monstra gráfico da figura 12 (d). O gráfico da figura 12 (d) mostra o impacto da concentração de sais na água de alimentação no fluxo permeado e na rejeição de sais. A tabela 2 resume o que ocorre nos gráficos das figuras 12 (DOW WATER SOLUTIOS).