PHD 5750 Tratamento avanado de guas de abastecimentoSistemas de separao por membranas na remoo de material particulado: Microfiltrao e Ultrafiltrao

Processos de separao por membranasUtilizao de membranas semipermeveis para separao de contaminantes da gua;Possibilitam a separao dos seguintes contaminantes:Slidos em suspenso, inclusive colides;Bactrias e vrus;Compostos orgnicos dissolvidos;Substncia inorgnicas dissolvidas.

Principais processos de separao por membranasMicrofiltrao:Utilizado para separao de slidos em suspenso e bactrias.Ultrafiltrao:Utilizado para separar slidos em suspenso, bactrias, vrus e compostos orgnicos de elevado peso molecular.Nanofiltrao:Remoo de compostos orgnicos de baixo peso molecular e ons bivalentes dissolvidos.Osmose reversa:Separao espcies de baixo peso molecular.

Capacidade dos processos de separao por membranas

Processos convencionais e sistemas de separao por membranas

Caractersticas dos Processos de Separao por MembranasMF Presso 0,3 a 1,7 bar;Dimetro dos poros 0,1 a 3,0 mm;UFPresso 0,7 a 6,9 bar;Separao de substncias com peso molecular de at 1000 g/mol (Daltons).

Caractersticas dos Processos de Separao por MembranasNFPresso - > 3,4 bar;Separao de compostos com peso molecular variando de 250 a 1000 g/mol;Tambm eficiente para separao de sais, geralmente bivalentes;ORPossibilita a remoo da maioria dos compostos orgnicos e ons;Presso 3,4 a 69 bar;Taxa de rejeio - > 99%

Materiais das membranasAs membranas podem ser orgnica ou inorgnicas;Membranas polimricas so mais amplamente utilizadas;Membranas cermicas so restritas aos processos de microfiltrao e ultrafiltrao.

Polmeros utilizados na fabricao de membranas

PolmeroMembranasPolicarbonato (PC)MFFluoreto de Polivinilideno (PVDF)MF e UFPolitetrafluoretileno (PTFE)MFPolipropileno (PP)MFPoliamida (PA)MF e UFAcetato de celulose (CA)MF e UFPolisulfona (PSf)MF e UFPoli-eterimida (Ultem)MF e UFPoli-eter-etercetona (PEEK)MF e UFPoliacrilonitrila (PAN)UFPoli-imidaUFPoli-etersulfona (PES)UF

Membranas inorgnicasMateriais inorgnicos apresentam maior estabilidade qumica e trmica em comparao aos polmeros;A utilizao de membranas inorgnicas ainda limitada, restringindo-se aos processos de MF e UF;Podem ser obtidas a partir de quatro tipos de materiais:Cermicos;Metlicos;Vtreos;Zeolticos.

Membranas hidroflicas e hidrofbicasEm funo do material polimrico utilizado as membranas podem ser:Membranas hidroflicas apresentam afinidade pela gua;Membranas hidrofbicas no tem afinidade pela gua.Do ponto de vista de tratamento de gua e efluentes aquosos ideal que a membrana seja hidroflica;Esta caracterstica resulta em um menor potencial para depsito de materiais sobre a superfcie da membrana.

Representao do ngulo de contato utilizado para verificar o carter das membranas

Tipos de membranasAs membranas comumente utilizadas no tratamento de gua e efluentes podem ser:Tubulares;Planas.Membranas tubulares, em funo do dimetro, so classificadas em:Fibra oca (f < 0,5 mm)Capilar (0,5 < f < 5 mm)Tubular (f > 5 mm).

Membranas polimricas

Membranas cermicas

Tipos de mdulos utilizadosOs mdulos so projetados para atender a trs objetivos:Assegurar uma vazo de circulao do fludo a ser tratado para limitar o fenmeno de polarizao de concentraes;Ser uma estrutura compacta, fornecendo a mxima superfcie por unidade de volume;Evitar qualquer vazamento entre os compartimentos de alimentao e permeado.

Tipos de mdulos utilizados (cont.)Os principais tipos de mdulos existentes so:Placas planas;Tubulares;Fibra oca;Enrolados em espiral.

Projeto dos SistemasA seleo de um projeto para uma aplicao especfica no uma tarefa difcil;Ela baseada na capacidade e limitaes de cada processo:Separao de slidos suspensos (MF e UF);Separao de compostos orgnicos com elevado peso molecular (UF e NF);Separao de espcies dissolvidas (NF e OR).

Projeto dos Sistemas (cont.) necessrio conhecer as caractersticas do produto a ser obtido e da alimentao;Tambm devem estar disponveis:A vazo de gua a ser produzida ou volume de efluente a ser tratado;Recuperao de gua no sistema;Capacidade de produo das membranas.

Projetos de MF, UF, NF e ORValores tpicos do fluxo de gua atravs das membranas so:Osmose reversa 15 a 25 L/h.m2;Nanofiltrao 20 a 30 L/h.m2;Ultrafiltrao25 a 50 L/h.m2;Microfiltraono h uma regra.No caso de sistemas de microfiltrao os valores mximos situam-se na faixa de 50 a 70 L/h.m2.

Componentes do sistema de separao por membranasSubsistema de pr-tratamento:Deve ser previsto para minimizar os problemas operacionais nas membranas.Subsistema de membranas:Ir promover a separao dos contaminantes da gua.Subsistema de ps-tratamento;Subsistema de limpeza qumica:Tem por finalidade recuperar a capacidade de produo das membranas.

Capacidade de produo em funo da presso

Variao do Fluxo de Permeado com a Presso NF e OR

Variao do Fluxo de Permeado com a Presso - MF e UF

Depsitos e outros efeitos de adsoroAs interaes entre soluto-membrana e soluto-soluto podem resultar na:Formao de depsitos;Adsoro fsica do soluto sobre a membrana;Precipitao qumica.Estes processos podem afetar de forma negativa a capacidade de separao das membranas.

Formao de depsitosA reduo de fluxo de permeado atravs das membranas pode ser resultado:Da formao de torta sobre a membrana;Da ocorrncia de depsitos adsorvidos;Do entupimento dos poros.Em muitos exemplos prticos a resistncia causada pela camada de polarizao de concentrao parece ser pouco significativa.

Efeito da formao de torta em membranas de MF e UF

Depsito adsorvidoA adsoro de materiais orgnicos sobre a superfcie das membranas um parmetro de controle do seu desempenho;Substncias hmicas e outros materiais que ocorrem naturalmente podem apresentar um grande efeito sobre a capacidade de produo;Os efeitos sobre o fluxo de permeado mais significativo do que os resultantes da ao de argilas e outros colides inorgnicos;

Efeitos das substncias orgnicas no fluxo de permeado

Depsito adsorvido (cont.)As caractersticas que determinam a propenso formao de depsitos so:Afinidade pelo material da membrana;Peso molecular;Grupos funcionais presentes;Conformao das molculas.

Mtodos para aumentar o fluxo em sistemasde MF e UF

Formao de biofilme um problema crtico nos processos de separao por membranas;Refere-se formao de uma camada viscosa sobre a superfcie da membrana, resultante do acmulo de microrganismos; um processo resultante dos mecanismos de adeso e crescimento.

Formao de biofilme (cont.)Adeso:Mecanismo responsvel pela fixao dos microrganismos na superfcie da membrana;Crescimento:Aps a sua fixao os microrganismos se multiplicam utilizando os nutrientes que so transportados para superfcie da membrana.

Formao de biofilme (cont.)Normalmente, a formao de biofilme mais problemtica que a ocorrncia de depsitos coloidais ou a incrustao.A razo para isto que os microrganismos se multiplicam em progresso geomtrica, podendo resultar em danos severos membranas;Mesmo para guas com baixa contagem de microrganismos a formao de biofilme inevitvel.

MembranaCondicionamento da MembranaAproximao e fixaoAdesoCrescimentoBiofilme EstabelecidoBactriaProcesso de formao do biofilme

Condies associadas ao biofilmeA presena de slidos em suspenso em combinao com o biofilme pode resultar na formao de depsitos;Isto ir conduzir perda da eficincia do sistema;O biofilme estabelecido serve como uma fonte de microrganismos para o sistema;A contagem microbiana um indicativo da sua existncia.

Principais eventos na formao de biofilme

EventoTempoDescrioFilme orgnicoSeg. ou min.Condicionamento da membranaAdeso fsicaSeg. ou min.Fixao da bactria pioneiraSntese de SPEMin. ou horasProcesso de adeso qumico e aumento da estabilidade estrutural.ProliferaoMin. Ou horasMultiplicao celular utilizando nutrientes disponveis.Aprisionamento de partculasSeg. ou min.Efeito secundrio da ocorrncia do biofilme.Adeso secundriaDias ou sem.Refere-se ao processo de aumento do biofilme . DesprendimentoDias ou sem.Perda de clulas e biomassa do biofilme.

Conseqncias para os processos de separao por membranasEm qualquer situao a ocorrncia de biofilme reduz o desempenho do sistema;Os seus efeitos so mais pronunciados em sistemas de NF e OR;A razo para isto a pequena espessura e a fragilidade das membranas;

Projeto dos SistemasA seleo de um projeto para uma determinada aplicao no uma tarefa difcil;Ela baseada na capacidade e limitao de cada processo:Separao de slidos suspensos;Separao de compostos orgnicos com elevado peso molecular;Separao de espcies dissolvidas.

Projeto dos Sistemas (cont.)A capacidade de produo das membranas uma informao vital para o desenvolvimento do projeto;Esta informao deve ser obtida por meio de ensaios piloto, principalmente para sistemas de MF e UF, ou mediante consulta ao fornecedor das membranas;Com base nestes dados possvel determinar o nmero de membranas a serem utilizadas, assim como o de vasos de presso.

Projeto dos Sistemas (cont.)Uma vez definido o nmero de membranas e mdulos a serem utilizados deve-se fazer a especificao dos demais componentes,Os vasos de presso ou mdulos de membranas e membranas no so os nicos componentes de um sistema de separao por membranas.

Projeto dos Sistemas (cont.)Para que qualquer sistema possa operar de modo adequado so necessrios:Vlvulas de controle e bloqueio;Instrumentos de medio:Presso e presso diferencial;Tenso e corrente eltrica;Temperatura;Vazo;pH;Condutividade;Nvel de tanques.

Projeto dos Sistemas (cont.)Um componente essencial para o funcionamento do sistema so as bombas utilizadas:Unidade de pr-tratamento;Alimentao do sistema;Limpeza e sanitizao;Dosagem de produtos qumicos.A escolha dos materiais a ser utilizados tambm importante.

Equaes bsicas e arranjos de sistemas de separao por membranasO dimensionamento de um sistema de separao por membrana requer o conhecimento dos seguintes parmetros:Vazo a ser tratada ou produzida;Caractersticas da alimentao e do produto;Capacidade de produo das membranas;Taxa de rejeio de contaminantes;Taxa de recuperao de gua ou fator de concentrao.

Desenvolvimento das equaesAs informaes relativas capacidade das membranas so obtidas com os fornecedores ou por meio de ensaios piloto;Os dados sobre a capacidade do sistema so os parmetros de projeto definidos para cada situao;A partir da escolha do arranjo a ser utilizado so desenvolvidas as relaes necessrias para a definio das condies de operao.

Desenvolvimento das equaes (cont.)Com base nas condies de operao do sistema possvel obter as caractersticas dos principais componentes:rea de membrana;Nmero de mdulos;Nmero de vasos de presso;Vazo da bomba de alimentao.

Equaes bsicasrea de membrana:AM = QP/qMQP = vazo de permeado ou purificado (L3.T-1)qM = taxa de produo da membrana (L3.L-2.T-1)Nmero de mdulos:NM = AM/aMaM = rea de membrana por mdulo (L2)Nmero de vasos (espiral):NV = NM/nn = nmero de mdulos por vaso.

Equaes bsicas (cont.)Taxa de recuperao de gua:Y = QP / QAQP = vazo de permeado (L3.T-1)QA = vazo de alimentao (L3.T-1)Passagem de contaminantes:PC = CP / CACP = concentrao no permeado (M.L-3)CA = concentrao na alimentao (M.L-3)

Equaes bsicas (cont.)Taxa de rejeio de contaminantes:RC = 1 PCFator de concentrao de contaminantes (FC):FC = CR / CACR = concentrao do contaminante no concentrado (M.L-3)CA = concentrao do contaminantes na alimentao (M.L-3)FC = (1 Y.PC) / (1-Y)

Taxa de Recuperao de gua para Mdulos em Srie

Taxa Global de Recuperao de guaQPT = QA QRnQPT = QA.(1-(1-%R/100)n)QPT/QA = RecuperaoRecuperao = 1 (1-%R/100)n

Diagrama bsico para balano de massa

Relaes obtidas pelo balano de massaVazes (densidade constante): QA = QP + QR(entrada) (sada)Para os contaminantes: QA.CA= QP.CP + QR.CR(entrada) (sada)

Relaes derivadas equaes bsicas e balano de massaFator de reduo de volume:FRV = QA / QRQR = QA QP (1)QP = Y.QA (2)(2) em (1)QR = QA Y.QA QR = QA.(1-Y)FRV = QA / [QA.(1-Y)]FRV = 1 / (1-Y)

Balano de massa para sistemas com recirculao

Balano de massa para sistemas com desvio

Balano de massa para sistemas de mltiplos estgios

Sistemas com contralavagemGeralmente sistemas com membranas capilares exigem operaes de contralavagem;Membranas em espiral de nova gerao tambm possibilitam a contralavagem;A contralavagem tem por finalidade:Remover da superfcie da membrana os materiais depositados.Sistemas de micro e ultrafiltrao.