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PHD 5750 – Tratamento PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de avançado de águas de abastecimentoabastecimento
Sistemas de separação por membranas na remoção de material particulado:
Microfiltração e Ultrafiltração
Prof. Mierzwa
Processos de separação por membranas Utilização de membranas semipermeáveis
para separação de contaminantes da água;
Possibilitam a separação dos seguintes contaminantes:
Sólidos em suspensão, inclusive colóides;
Bactérias e vírus;
Compostos orgânicos dissolvidos;
Substância inorgânicas dissolvidas.
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Principais processos de separação por membranas Microfiltração:
Utilizado para separação de sólidos em suspensão e bactérias.
Ultrafiltração: Utilizado para separar sólidos em suspensão,
bactérias, vírus e compostos orgânicos de elevado peso molecular.
Nanofiltração: Remoção de compostos orgânicos de baixo peso
molecular e íons bivalentes dissolvidos. Osmose reversa:
Separação espécies de baixo peso molecular.
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Capacidade dos processos de separação por membranas
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Processos convencionais e sistemas de separação por membranas
Constituinte a ser removido
Sistema convencional
Separação por membranas
Turbidez, sólidos suspenso e contaminantes microbiológicos
Coagulação, floculação, filtração e desinfecção
Microfiltração
Cor, odor e compostos orgânicos
Carvão ativado, cloração e filtração e aeração
Ultrafiltração
Dureza, sulfatos, ferro e metais pesados
Abrandamento com cal, troca iônica, oxidação e filtração e coagulação floculação
Nanofiltração
Sais dissolvidos Evaporação e troca iônica
Osmose reversa
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Características dos Processos de Separação por Membranas
• MF – Pressão – 0,3 a 1,7 bar;– Diâmetro dos poros – 0,1 a 3,0 m;
• UF– Pressão – 0,7 a 6,9 bar;– Separação de substâncias com peso
molecular de até 1000 g/mol (Daltons).
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Características dos Processos de Separação por Membranas
• NF– Pressão - > 3,4 bar;– Separação de compostos com peso
molecular variando de 250 a 1000 g/mol;– Também é eficiente para separação de sais,
geralmente bivalentes;
• OR– Possibilita a remoção da maioria dos
compostos orgânicos e íons;– Pressão – 3,4 a 69 bar;– Taxa de rejeição - > 99%
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Materiais das membranas
As membranas podem ser orgânica ou inorgânicas;
Membranas poliméricas são mais amplamente utilizadas;
Membranas cerâmicas são restritas aos processos de microfiltração e ultrafiltração.
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Polímeros utilizados na fabricação de membranas
Polímero Membranas
Policarbonato (PC) MF
Fluoreto de Polivinilideno (PVDF) MF e UF
Politetrafluoretileno (PTFE) MF
Polipropileno (PP) MF
Poliamida (PA) MF e UF
Acetato de celulose (CA) MF e UF
Polisulfona (PSf) MF e UF
Poli-eterimida (Ultem) MF e UF
Poli-eter-etercetona (PEEK) MF e UF
Poliacrilonitrila (PAN) UF
Poli-imida UF
Poli-etersulfona (PES) UF
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Membranas inorgânicas
Materiais inorgânicos apresentam maior estabilidade química e térmica em comparação aos polímeros;
A utilização de membranas inorgânicas ainda é limitada, restringindo-se aos processos de MF e UF;
Podem ser obtidas a partir de quatro tipos de materiais: Cerâmicos; Metálicos; Vítreos; Zeolíticos.
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Membranas hidrofílicas e hidrofóbicas
Em função do material polimérico utilizado as membranas podem ser:
Membranas hidrofílicas apresentam afinidade pela água;
Membranas hidrofóbicas não tem afinidade pela água.
Do ponto de vista de tratamento de água e efluentes aquosos é ideal que a membrana seja hidrofílica;
Esta característica resulta em um menor potencial para depósito de materiais sobre a superfície da membrana.
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Gota de água
Membrana Hidrofílica Membrana Hidrofóbica
- Ângulo de contato
Representação do ângulo de contato utilizado para verificar o caráter das membranas
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Tipos de membranas
As membranas comumente utilizadas no tratamento de água e efluentes podem ser: Tubulares; Planas.
Membranas tubulares, em função do diâmetro, são classificadas em: Fibra oca ( < 0,5 mm) Capilar (0,5 < < 5 mm) Tubular (> 5 mm).
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Membranas poliméricas
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Membranas cerâmicas
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Tipos de módulos utilizados
Os módulos são projetados para atender a três objetivos:
Assegurar uma vazão de circulação do fluído a ser tratado para limitar o fenômeno de polarização de concentrações;
Ser uma estrutura compacta, fornecendo a máxima superfície por unidade de volume;
Evitar qualquer vazamento entre os compartimentos de alimentação e permeado.
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Tipos de módulos utilizados (cont.)
Os principais tipos de módulos existentes são:
Placas planas;
Tubulares;
Fibra oca;
Enrolados em espiral.
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Projeto dos Sistemas
A seleção de um projeto para uma aplicação específica não é uma tarefa difícil;
Ela é baseada na capacidade e limitações de cada processo:
Separação de sólidos suspensos (MF e UF);
Separação de compostos orgânicos com elevado peso molecular (UF e NF);
Separação de espécies dissolvidas (NF e OR).
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Projeto dos Sistemas (cont.)
É necessário conhecer as características do produto a ser obtido e da alimentação;
Também devem estar disponíveis:
A vazão de água a ser produzida ou volume de efluente a ser tratado;
Recuperação de água no sistema;
Capacidade de produção das membranas.
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Projetos de MF, UF, NF e OR
Valores típicos do fluxo de água através das membranas são: Osmose reversa 15 a 25 L/h.m2;
Nanofiltração 20 a 30 L/h.m2;
Ultrafiltração 25 a 50 L/h.m2;
Microfiltração não há uma regra.
No caso de sistemas de microfiltração os valores máximos situam-se na faixa de 50 a 70 L/h.m2.
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Componentes do sistema de separação por membranas Subsistema de pré-tratamento:
Deve ser previsto para minimizar os problemas operacionais nas membranas.
Subsistema de membranas: Irá promover a separação dos contaminantes
da água.
Subsistema de pós-tratamento; Subsistema de limpeza química:
Tem por finalidade recuperar a capacidade de produção das membranas.
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Capacidade de produção em função da pressão
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Flu
xo (
L/h
.m2 )
Pressão (KPa)
Nanofiltração
Osmose Reversa
Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão NF e OR
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Flu
xo (
L/h
.m2 )
Pressão (KPa)
Microfiltração
Ultrafiltração
Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão - MF e UF
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Depósitos e outros efeitos de adsorção As interações entre soluto-membrana e
soluto-soluto podem resultar na:
Formação de depósitos;
Adsorção física do soluto sobre a membrana;
Precipitação química.
Estes processos podem afetar de forma negativa a capacidade de separação das membranas.
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Formação de depósitos
A redução de fluxo de permeado através das membranas pode ser resultado: Da formação de torta sobre a membrana;
Da ocorrência de depósitos adsorvidos;
Do entupimento dos poros.
Em muitos exemplos práticos a resistência causada pela camada de polarização de concentração parece ser pouco significativa.
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Efeito da formação de torta em membranas de MF e UF
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Depósito adsorvido
A adsorção de materiais orgânicos sobre a superfície das membranas é um parâmetro de controle do seu desempenho;
Substâncias húmicas e outros materiais que ocorrem naturalmente podem apresentar um grande efeito sobre a capacidade de produção;
Os efeitos sobre o fluxo de permeado é mais significativo do que os resultantes da ação de argilas e outros colóides inorgânicos;
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Efeitos das substâncias orgânicas no fluxo de permeado
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Depósito adsorvido (cont.)
As características que determinam a propensão à formação de depósitos são: Afinidade pelo material da membrana; Peso molecular; Grupos funcionais presentes; Conformação das moléculas.
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Métodos para aumentar o fluxo em sistemasde MF e UF
Reduzir a Polarização de Concentração
Reduzir a pressãoReduzir a concentração
na superfícieda membrana
Reduzir os sólidosna alimentação
Utilizar baixo fatorde concentração
Promover a misturaperpendicular
Prevenir concentraçãosobre a superfície
da membrana
Aumentar a taxa deretro transporte
Aumentar atemperatura
Canais estreitose curtos
Altos gradientesde velocidade
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Formação de biofilme
É um problema crítico nos processos de separação por membranas;
Refere-se à formação de uma camada viscosa sobre a superfície da membrana, resultante do acúmulo de microrganismos;
É um processo resultante dos mecanismos de adesão e crescimento.
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Formação de biofilme (cont.)
Adesão:
Mecanismo responsável pela fixação dos microrganismos na superfície da membrana;
Crescimento:
Após a sua fixação os microrganismos se multiplicam utilizando os nutrientes que são transportados para superfície da membrana.
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Formação de biofilme (cont.)
Normalmente, a formação de biofilme é mais problemática que a ocorrência de depósitos coloidais ou a incrustação.
A razão para isto é que os microrganismos se multiplicam em progressão geométrica, podendo resultar em danos severos à membranas;
Mesmo para águas com baixa contagem de microrganismos a formação de biofilme é inevitável.
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Membrana
Condicionamento da Membrana
Aproximação e fixação
Adesão
Crescimento
Biofilme EstabelecidoBiofilme Estabelecido
Bactéria
Processo de formação do biofilme
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Condições associadas ao biofilme
A presença de sólidos em suspensão em combinação com o biofilme pode resultar na formação de depósitos;
Isto irá conduzir à perda da eficiência do sistema;
O biofilme estabelecido serve como uma fonte de microrganismos para o sistema;
A contagem microbiana é um indicativo da sua existência.
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Principais eventos na formação de biofilme
Evento Tempo Descrição
Filme orgânico Seg. ou min. Condicionamento da membrana
Adesão física Seg. ou min. Fixação da bactéria pioneira
Síntese de SPE Min. ou horas Processo de adesão químico e aumento da estabilidade estrutural.
Proliferação Min. Ou horas Multiplicação celular utilizando nutrientes disponíveis.
Aprisionamento de partículas
Seg. ou min. Efeito secundário da ocorrência do biofilme.
Adesão secundária Dias ou sem. Refere-se ao processo de aumento do biofilme .
Desprendimento Dias ou sem. Perda de células e biomassa do biofilme.
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Conseqüências para os processos de separação por membranas
Em qualquer situação a ocorrência de biofilme reduz o desempenho do sistema;
Os seus efeitos são mais pronunciados em sistemas de NF e OR;
A razão para isto é a pequena espessura e a fragilidade das membranas;
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Membrana
Suporte
= molécula de soluto
Aumento na passagem de soluto devido a polarização
de concentração
Aumento na passagem de soluto devido a degradação
da membrana
Matriz de SPE
Ação hidrodinâmica
Direção do Fluxo
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Projeto dos Sistemas
A seleção de um projeto para uma determinada aplicação não é uma tarefa difícil;
Ela é baseada na capacidade e limitação de cada processo:
Separação de sólidos suspensos;
Separação de compostos orgânicos com elevado peso molecular;
Separação de espécies dissolvidas.
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Projeto dos Sistemas (cont.)
A capacidade de produção das membranas é uma informação vital para o desenvolvimento do projeto;
Esta informação 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 é possível determinar o número de membranas a serem utilizadas, assim como o de vasos de pressão.
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Projeto dos Sistemas (cont.)
Uma vez definido o número de membranas e módulos a serem utilizados deve-se fazer a especificação dos demais componentes,
Os vasos de pressão ou módulos de membranas e membranas não são os únicos componentes de um sistema de separação por membranas.
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Projeto dos Sistemas (cont.)
Para que qualquer sistema possa operar de modo adequado são necessários: Válvulas de controle e bloqueio; Instrumentos de medição:
Pressão e pressão diferencial; Tensão e corrente elétrica; Temperatura; Vazão; pH; Condutividade; Nível de tanques.
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Projeto dos Sistemas (cont.)
Um componente essencial para o funcionamento do sistema são as bombas utilizadas:
Unidade de pré-tratamento;
Alimentação do sistema;
Limpeza e sanitização;
Dosagem de produtos químicos.
A escolha dos materiais a ser utilizados também é importante.
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Equações básicas e arranjos de sistemas de separação por membranas
O dimensionamento de um sistema de separação por membrana requer o conhecimento dos seguintes parâmetros: Vazão a ser tratada ou produzida;
Características da alimentação e do produto;
Capacidade de produção das membranas;
Taxa de rejeição de contaminantes;
Taxa de recuperação de água ou fator de concentração.
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Desenvolvimento das equações
As informações relativas à capacidade das membranas são obtidas com os fornecedores ou por meio de ensaios piloto;
Os dados sobre a capacidade do sistema são os parâmetros de projeto definidos para cada situação;
A partir da escolha do arranjo a ser utilizado são desenvolvidas as relações necessárias para a definição das condições de operação.
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Desenvolvimento das equações (cont.)
Com base nas condições de operação do sistema é possível obter as características dos principais componentes:
Área de membrana;
Número de módulos;
Número de vasos de pressão;
Vazão da bomba de alimentação.
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Equações básicas
Área de membrana:
AM = QP/qM
QP = vazão de permeado ou purificado (L3.T-1)
qM = taxa de produção da membrana (L3.L-2.T-1)
Número de módulos:
NM = AM/aM
aM = área de membrana por módulo (L2)
Número de vasos (espiral):
NV = NM/n
n = número de módulos por vaso.
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Equações básicas (cont.)
Taxa de recuperação de água:
Y = QP / QA
QP = vazão de permeado (L3.T-1)
QA = vazão de alimentação (L3.T-1)
Passagem de contaminantes:
PC = CP / CA
CP = concentração no permeado (M.L-3)
CA = concentração na alimentação (M.L-3)
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Equações básicas (cont.)
Taxa de rejeição de contaminantes: RC = 1 – PC
Fator de concentração de contaminantes (FC): FC = CR / CA
CR = concentração do contaminante no concentrado (M.L-3)
CA = concentração do contaminantes na alimentação (M.L-3)
FC = (1 – Y.PC) / (1-Y)
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Taxa de Recuperação de Água para Módulos em Série
%R / 100
%R / 100
%R / 100
QA
R1 = QA.(1-%R/100)
R2 = QA.(1-%R/100).(1-%R/100)
Rn = QA.(1-%R/100).(1-%R/100).(1-%R/100)
QPT
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Taxa Global de Recuperação de Água
QPT = QA – QRn
QPT = QA.(1-(1-%R/100)n)
QPT/QA = Recuperação
Recuperação = 1 – (1-%R/100)n
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Diagrama básico para balanço de massa
QA; CA QP; CP
QR; CR
Y; RC
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Relações obtidas pelo balanço de massa
Vazões (densidade constante):
QA = QP + QR
(entrada) (saída)
Para os contaminantes: QA.CA = QP.CP + QR.CR
(entrada) (saída)
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Relações derivadas – equações básicas e balanço de massa
Fator de redução de volume: FRV = QA / QR
QR = 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)
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Balanço de massa para sistemas com recirculação
Qa; Ca Qp; Cp
Qc; Cc
YM
Qd; Cc
Qr; Cc
Q’a; C’a
YG
Prof. Mierzwa
MAC
AAR
AM
GA
M
pA
AGp
YQQ
QQQ
QY
YQ
Y
QYQ
1.
.
.
'
'
'
'
GAD
GM
GAC
M
GAR
YQQ
YY
YQQ
Y
YQQ
1.
.
1.
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Balanço de massa para sistemas com desvio
Qa; Ca Qp; Cp
Qc; Cc
Y
Qf; Cf
Q’a; Ca
Qb; Ca
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100.
Re.%
.
100
Re%1
...
jeiçãoC
CCQQ
jeição
C
C
CQCQCQ
QQQ
QQQ
a
fafp
a
p
ffabpp
pfb
fbp
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Balanço de massa para sistemas de múltiplos estágios
QP1 QP2 QP3
YM1 YM2 YM3
QA
QPT
YG1 YG2 YG3
YGT
QR1 QR2 QR3
QD1 QD2 QD3
QC1 QC2 QC3
Q'A Q'A1 Q'A2
Prof. Mierzwa
n
iGiGT
n
iGiADn
GTADn
GTAPT
PTDnA
YY
YQQ
YQQ
YQQ
QQQ
1
1
)1(1
)1(.
)1.(
.
Prof. Mierzwa
Sistemas com contralavagem
Geralmente sistemas com membranas capilares exigem operações de contralavagem;
Membranas em espiral de nova geração também possibilitam a contralavagem;
A contralavagem tem por finalidade: Remover da superfície da membrana os
materiais depositados. Sistemas de micro e ultrafiltração.
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-0.5 to -10 psisuctionpressure
Permeate
Centrifugal Pump
Permeate
Backflush Tank Backflush Tank FillFill
Feed
Air injection
Immersed membrane
Concentrate Flow
Basin
Backflush FlowBackflush Flow
