Estudo dos Métodos de Dessalinização de Águas Subterrâneas: … · conjunto de estágios (efeitos), um condensador e subsistemas para recolher a água de alimentação salina

Trabalho Inscrito na Categoria de Artigo Completo / ISBN: 978-85-68242-76-6

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EIXO TEMÁTICO: ( ) Bacias Hidrográficas, Planejamento e Gestão dos Recursos Hídricos ( ) Biodiversidade e Unidades de Conservação ( ) Campo, Agronegócio e as Práticas Sustentáveis ( ) Cidade, Arquitetura e Sustentabilidade ( ) Educação Ambiental ( ) Geotecnologias Aplicadas à Análise Ambiental ( ) Gestão dos Resíduos Sólidos ( ) Gestão e Preservação do Patrimônio Arquitetônico, Cultural e Paisagístico ( ) Mudanças Climáticas (X) Novas Tecnologias Sustentáveis ( ) Paisagem, Ecologia Urbana e o Planejamento Ambiental ( ) Saúde, Saneamento e Ambiente ( ) Turismo e o Desenvolvimento Local

.

Estudo dos Métodos de Dessalinização de Águas Subterrâneas: Proposta Mais Adequada para Abastecimento de Populações Difusas do Semiárido

Brasileiro

Analysis of the Groundwater Desalination Methods for Supplying Diffuse Populations of the Brazilian Semi-Arid

Análisis de los Métodos de Desalinización de Aguas Subterráneas para Abastecimiento

de Poblaciones Difusas del Semiárido Brasileño

Juliana Ferreira Bezerra Mocock Mestranda em Engenharia Civil, UPE, Brasil

[email protected]

Clarissa Nogueira Pessôa

Engenheira Civil, Brasil. [email protected]

Emilia Rahnemay Kohlman Rabbani

Professora Associada, UPE, Brasil [email protected]


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RESUMO O semiárido do Brasil tem um histórico de desafios e resistência aos fatores climáticos naturais, sobretudo no tocante à escassez de recursos hídricos. Em algumas áreas, a adoção de poços tornou-se a principal alternativa utilizada para o abastecimento de água em nível domiciliar e, dependendo da gravidade, em nível municipal. Nesse viés, o processo de dessalinização pode ser implantado para que se obtenha uma água propícia ao consumo humano. Este trabalho teve como objetivo identificar qual tipo de dessalinizador é o mais indicado a ser utilizado na região do semiárido brasileiro para fins de abastecimento. Através de uma compilação de várias pesquisas bibliográficas disponíveis em bases de dados nacionais e internacionais sobre a dessalinização e os tipos de dessalinizadores, considerando as vantagens e desvantagens, foi possível perceber qual o mais adequado para uso na região do semiárido. Os resultados mostraram que o método mais indicado para a região ainda é o da osmose reversa. PALAVRAS-CHAVE: Dessalinização, Dessalinizador, Osmose, Semiárido Brasileiro. ABSTRACT The Brazilian semi-arid region has a history of challenges and resistance to natural climatic factors, especially in relation to the scarcity of water resources. In some areas, the adoption of wells has become the main alternative used for water supply at the household level and, depending on gravity, at the municipal level. In this context, the desalination process can be implemented to obtain water adequate to human consumption. This work aimed to identify which type of desalinator is the most suitable to be used in the Brazilian semi-arid region for the purposes of supply. Through a compilation of several bibliographic researches available in national and international databases on desalination and the types of desalinators, considering the advantages and disadvantages, it was possible to conclude which one is the most suitable for use in the semi-arid region. The results showed that the best method for the region is still reverse osmosis. KEYWORDS: Desalination, Desalinator, Osmosis, Brazilian Semi-Arid. RESUMEN El semiárido de Brasil tiene un historial de desafíos y resistencia a los factores climáticos naturales, sobre todo en lo que se refiere a la escasez de recursos hídricos. En algunas áreas, la adopción de pozos se ha convertido en la principal alternativa utilizada para el abastecimiento de agua a nivel domiciliar y, dependiendo de la gravedad, a nivel municipal. En ese escenario, el proceso de desalinización puede ser implantado para que se obtenga agua propicia al consumo humano. Este trabajo tuvo como objetivo identificar qué tipo de desalinizador es el más indicado a ser utilizado en la región del semiárido brasileño para fines de abastecimiento. A través de una compilación de varias investigaciones bibliográficas disponibles en bases de datos nacionales e internacionales sobre la desalinización y los tipos de desalinizadores, considerando las ventajas y desventajas, fue posible percibir cuál es el más adecuado para su uso en la región del semiárido. Los resultados mostraron que el método más indicado para la región sigue siendo el de la ósmosis inversa. PALAVRAS CLABE: Desalinización, Desalinizador, Osmosis, Semiárido brasileño.


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1. INTRODUÇÃO

A crise hídrica no Brasil sempre foi uma realidade. Contudo, nos últimos anos, observa-se um

agravamento deste cenário devido ao crescimento populacional aliado a uma maior frequência

dos períodos de estiagem. Unindo-se a este fator, boa parte da água é utilizada sem

racionalidade, desde o âmbito domiciliar, industrial e agrícola. Além disso, há altos níveis de

perdas que ocorrem durante a distribuição dela pelas concessionárias. Para se ter uma ideia,

no Brasil, em 2013 esse índice chegou a 37%, contra 20% na Inglaterra, 7% na Alemanha e

apenas 3% no Japão, como mostra Figura 1.

Figura 1. Perdas na distribuição de água e índice por país.

Fonte: ASTA, 2015.

No semiárido brasileiro, a falta de água para o consumo humano deve-se a fatores naturais:

baixo índice pluviométrico, temperaturas médias elevadas e irregularidade espacial e temporal

na distribuição das chuvas (ROCHA, 2008). Uma alternativa encontrada para driblar a carência

hídrica e abastecer pequenas comunidades na região foi a perfuração de poços para

exploração de águas subterrâneas. Entretanto, muitas vezes a água encontrada nesses poços é

imprópria para o consumo humano devido a problemas de salinidade. É neste contexto que

entram os métodos de dessalinização.

Aprende-se desde cedo nas aulas de geografia na escola que a Terra é formada por apenas 30%

de terra firme, enquanto que os 70% de água representam um volume de 1,4 bilhão de km3.

Desse volume, cerca de 98% está nos oceanos e mares, em forma de agua salgada

(CHANDRASHEKARA & YADAV, 2017), o que implica em inadequação para o consumo humano.

Dos 2% restantes, 20% se apresentam em aguas subterrâneas, 79% estão armazenados em

calotas polares e geleiras, e apenas 1% está disponível para consumo pelos quase 8 bilhões de

habitantes do mundo. Dadas a escassez de água disponível para o consumo e o e a demanda


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cada vez maior por esse recurso, alternativas de reduzir seu o uso bem como de transformar a

água salgada em potável vem sido discutidas.

A dessalinização consiste na remoção de minerais de um ambiente. Os processos de

dessalinização visam ao tratamento da água para torná-la potável. Os dessalinizadores têm

sido adotados com cada vez mais frequência haja vista que as medidas convencionais, tais

como construção de cisternas e açudes, não têm sido suficientes para suprir o consumo

humano durante o período da estiagem. Diante disso, esse trabalho tem por objetivo analisar

os métodos de dessalinização empregados de modo a identificar o mais adequado para

abastecimento de populações difusas do semiárido brasileiro.

2. METODOLOGIA

Este trabalho foi um estudo de uma compilação de várias pesquisas bibliográficas nacionais e

internacionais disponíveis em bases de dados sobre a dessalinização e os tipos de

dessalinizadores. Consideraram-se as vantagens e desvantagens, com o objetivo de identificar

qual o método de dessalinização mais indicado a ser utilizado na região do semiárido brasileiro.

3. RESULTADOS

A água do mar possui aproximadamente 35 kg/m³ de sal solubilizado que precisaria ser

reduzido para aproximadamente 1 kg/m³ para ser aproveitada como água doce. A humanidade

usa técnicas de dessalinização de águas há milhares de anos. Freire, Marco e Martins (2015),

apontam que há evidencias do uso durante o império greco-romano, onde os navegadores

usavam evaporação e condensação da água do mar para consumo em suas viagens, e que essa

civilização também usava filtros de barro como forma de reter o sal. O Quadro 1 mostra a

evolução da pesquisa sobre dessalinização, resultante da pesquisa bibliográfica.

Mesmo assim, a capacidade de dessalinização da humanidade ainda não foi capaz de comparar

a feita pela natureza. Os mesmos autores afirmam que, através do ciclo da água do planeta, o

conjunto oceanos/sol se constitui na maior usina de dessalinização que opera na planeta:

quando o sol esquenta a água dos mares, ele provoca a sua evaporação.

A aplicação desses processos não está restrita a apenas água dos mares e oceanos, mas

também de fontes salobras. Nessas fontes, as águas têm concentrações de sal entre a doce e a

dos mares. Isto pode acontecer em reservatórios subterrâneos em região semiáridas, por

exemplo. Os tópicos abaixo mostram os dois subgrupos nos quais pode-se dividir a

dessalinização: processos térmicos e processos de membrana.


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Quadro 1. Desenvolvimento dos processos de dessalinização.

PERÍODO DESCRIÇÃO

SÉCULO XVIII Primeira publicação sobre dessalinização por um químico árabe (FREIRE, MARCO &

MARTINS, 2015).

1840 Primeiro uso da Destilação de Múltiplos Efeitos (SANTOS, 2005).

1884 Fabricação do primeiro evaporador (SANTOS, 2005).

FINAL DO SÉCULO XIX Primeiro evaporador por compressão mecânica de vapor (SANTOS, 2005).

DÉCADA DE 1940

Com a Segunda Guerra Mundial, desenvolvem-se processos devido à necessidade

de fornecer água para soldados que se encontravam em zonas áridas (FREIRE,

MARCO & MARTINS, 2015).

1953 Primeiras experiências com membranas (SANTOS, 2005).

1959 Demostra-se forma prática para a osmose reversa (FREIRE, MARCO & MARTINS,

2015).

DÉCADA DE 1960 Surgimento das primeiras unidades comerciais (FREIRE, MARCO & MARTINS, 2015).

DÉCADA DE 1970 Processos com membranas para tratamento comercial (FREIRE, MARCO &

MARTINS, 2015).

1987 Petrobrás inicia seu programa de dessalinização da água do mar (SANTOS, 2005).

2015 - Presente Mais 17.000 plantas de dessalinização em 150 países (FREIRE, MARCO & MARTINS,

2015).

3.1 Dessalinização térmica

Nesse modelo, a água é evaporada e, em seguida, sofre condensação. Essa técnica pode ser

usada em conjunto com vários tipos de coletores solares, como placa plana e tubo evacuado

(CHANDRASHEKARA & YADAV, 2017). Entre alguns dos processos de dessalinização térmica

estão a destilação de múltiplos estágios (MSF), a destilação de múltiplos efeitos (MED) e a

destilação compressão de vapor (VC).

Nessa categoria, também se encontra a Destilação Solar (SD), Como mostra a Figura 2, na SD, a

água é armazenada em tanques de material transparente. A luz solar atravessa o material do

recipiente e a água é aquecida e, então, evaporada. Ao condensar-se na parte interna do vidro,

a água escorre e recolhida num compartimento.

O processo MSF (Figura 3) envolve o aquecimento da salmoura seguido de destilação em flash

de múltiplos estágios e posterior recuperação de calor. Assim, essa técnica tem três seções


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importantes: aquecedor de salmoura, seções de rejeição de calor e recuperação de calor

(BANDI, UPPALURI & KUMAR, 2016). Esse método tem sido usado por muitos anos e agora é o

maior setor da indústria de dessalinização sendo responsável por mais de 56% do total de água

doce produzida pelas tecnologias de dessalinização (TAYYEBI & ALISHIRI, 2014).

Figura 2. Esquema do processo de destilação solar.

Fonte: MARINHO et al., 2014.

Figura 3. Processo MSF.

Fonte: SANTOS, 2005.


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De acordo com Dastgerdi, Whittaker e Chua (2016), o processo MED (Figura 4) inclui um

conjunto de estágios (efeitos), um condensador e subsistemas para recolher a água de

alimentação salina e uma fonte de calor (geralmente água líquida quente ou vapor) de modo a

coletar e remover a salmoura concentrada. O vapor gerado primeiro estágio será utilizado para

aquecer de forma indireta a água no segundo evaporador, e assim sucessivamente. Por fim, o

vapor do último evaporador será utilizado para pré-aquecer a água bruta, que entrará no

primeiro evaporador (SAMPAIO, 2016). Assim como no processo MSF, é utilizado vácuo para

reduzir a temperatura de ebulição da água.

Figura 4. Processo MED.


Quanto ao princípio de funcionamento do processo VC, como mostra Sampaio (2016), há duas

formas distintas de operação nessa técnica. A compressão do vapor pode ser feita por meio de

um compressor mecânico (MVC), ilustrado na Figura 5; ou podem ser adicionadas pequenas

quantidades de vapor a alta pressão por meio de um ejetor (TVC).

Figura 5. Processo MVC.


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3.2 Dessalinização por membranas

Existem principalmente dois processos de dessalinização por membranas: osmose reversa (RO)

e eletrodiálise (ED). A RO (Figura 6) é um processo por membrana onde um fluxo de

alimentação flui sob pressão através de uma membrana semipermeável, separando duas

correntes aquosas, uma rica em sal e o outro pobre em sal. Como explicam Mathioulakis,

Belessiotis e Delyannis (2007), a água passará através da membrana quando a pressão aplicada

é maior que a pressão osmótica, enquanto o sal é retido. Como resultado, um fluxo com baixa

concentração de sal é obtido e uma salmoura concentrada permanece no lado da alimentação.

Já a ED, apresentada na Figura 7, é um processo movido à eletricidade onde uma solução

iônica é bombeada através membranas de troca de ânions e cátions dispostas em um padrão

alternado entre um ânodo e um cátodo. Ainda de acordo com Mathioulakis, Belessiotis e

Delyannis (2007), esse fenômeno resulta em concentração de íons em compartimentos

(compartimento do concentrado ou salmoura), enquanto outros compartimentos

simultaneamente se esgotam (compartimento diluído).

Comparando-se RO e ED, pode-se dizer que na osmose reversa, a água é transportada através

da membrana e os eletrólitos são retidos, enquanto que na eletrodiálise, os eletrólitos são

transportados através da membrana e a água é parcialmente retida (BAKER apud

MATHIOULAKIS, BELESSIOTIS & DELYANNIS, 2007).


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Figura 6. Osmose reversa.

Fonte: CASSINI, 2015.

Figura 7. Eletrodiálise.

Fonte: AMADO, 2006.

3.3 A alternativa brasileira

No Brasil, o Ministério do Meio Ambiente (MMA) lançou em 2004 o Programa Água Doce

(PAD), cujo objetivo é investir em sistemas de dessalinização para abastecer populações em

comunidades do semiárido no Nordeste e no norte de Minas Gerais, onde a disponibilidade


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hídrica é baixa e a salinidade das águas subterrâneas é elevada. Segundo o Ministério do Meio

Ambiente:

“Visa o estabelecimento de uma política pública permanente de acesso à água de boa qualidade para o consumo humano, promovendo e disciplinando a implantação, a recuperação e a gestão de sistemas de dessalinização ambiental e socialmente sustentáveis para atender, prioritariamente, as populações de baixa renda em comunidades difusas do semiárido” (BRASIL, 2016?)

O Água Doce está estruturado em quatro componentes: gestão, pesquisa, sistemas de

dessalinização e sistemas produtivos/unidades demonstrativas. Os componentes estão

resumidos no Quadro 2.

Quadro 2. Componentes do PAD.

COMPONENTE DO PAD DESCRIÇÃO

GESTÃO

Formação de recursos humanos; diagnósticos técnico e

ambiental; sistema de informações; mobilização social;

sustentabilidade ambiental; apoio ao gerenciamento;

sistema de monitoramento; operacionalização e

manutenção dos sistemas (BRASIL, 2012).

PESQUISA

Direcionado, no primeiro momento, ao desenvolvimento

de tecnologia nacional para a produção das membranas

responsáveis pela separação do sais no equipamento de

dessalinização, assim como à otimização do sistema de

produção de plantas halófitas (que se alimentam de sais),

aquicultura e nutrição animal (BRASIL, 2012).

SISTEMAS DE DESSALINIZAÇÃO

Compõem o sistema de dessalinização: poço tubular

profundo, bomba do poço, reservatório de água bruta,

abrigo de alvenaria, chafariz, dessalinizador, reservatório

de água potável, reservatório e tanques de contenção de

concentrado (BRASIL, 2012).

SISTEMAS PRODUTIVOS/UNIDADES DEMOSTRATIVAS

Sistema de produção integrado onde são realizadas visitas,

exposições, aulas e demonstrações do processo produtivo

com o objetivo de replicação do modelo (BRASIL, 2012).


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3.4 Dessalinizadores no semiárido

A Figura 8 mostra sistemas de dessalinização implantados em Pernambuco. Apesar de

insucessos devido a fatores como elevada distância dos equipamentos aos centros urbanos e

ausência de trabalhos de mobilização social com a comunidade (COSTA, SOBRAL & SILVA,

2007), a cidade de Riacho das Almas no semiárido pernambucano, com aproximadamente 20

mil habitantes, é um exemplo local de sucesso de dessalinização.

Desde 2015, segundo Gama (2015), a cidade possui um dessalinizador coletivo de osmose

reversa movido à energia solar através de placas fotovoltaicas. No Brasil existem apenas dois,

estando o outro localizado no Maranhão. O sistema mostra-se eficiente pois, além de não

utilizar energia elétrica, os custos para a manutenção do sistema são menores, cerca de 40%. O

sistema produz 600 litros de água doce por hora, distribuído à comunidade duas vezes ao dia.

Cada pessoa tem direito a 20 litros de água diariamente, que corresponde a aproximadamente

20% do consumo diário (GAMA, 2015) Por esse motivo, explica Gama (2015), a comunidade

usa esse volume apenas para beber e cozinhar; para os demais afazeres domésticos, utilizam

água bruta, que sobra do sistema de captação, ou ainda provenientes dos carros-pipa.

Figura 8. Sistemas de dessalinização em Pernambuco

Fonte: PERNMABUCO, 2006.


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3.5 Vantagens e desvantagens dos principais métodos de dessalinização

A compilação de diversos estudos sobre métodos de dessalinização é apresentada no Quadro

3. Pode-se perceber que a osmose reversa ainda se constitui no melhor método de

dessalinização para o semiárido brasileiro por apresentar as principais vantagens para a região.

Quadro 3. Processos, vantagens e desvantagens

Processo Vantagens Desvantagens

DESTILAÇÃO DE MÚLTIPLOS

ESTÁGIOS

Maior pureza da água (DASTGERDI,

WHITTAKER & CHUA, 2016).

Processo mais caro (DASTGERDI,

WHITTAKER & CHUA, 2016).

DESTILAÇÃO DE MÚLTIPLOS

EFEITOS

Opera em altas temperaturas

(BANDI, UPPALURI & KUMAR, 2016).

Necessita de área de transferência

de calor adicional (BANDI, UPPALURI

& KUMAR, 2016).

COMPRESSÃO A VAPOR

Utiliza o princípio de redução da

temperatura do ponto de ebulição

através da redução de pressão

Sampaio (2016).

É operado com energia elétrica

Sampaio (2016).

OSMOSE REVERSA

As vantagens são possuir baixo

custo de investimento; baixo

consumo energético; ocupa área

muito reduzida para instalação;

aproveitamento dos efluentes;

qualidade constante da água

produzida; processo continuo;

possui flexibilidade para futuras

instalações; o processo consegue

tratar 99,4% do volume de água

encaminhado ao dessalinizador

(MOURA et al., 2008).

A principal desvantagem do

processo de osmose reversa é gerar

líquidos de rejeito com elevadas

concentrações de sais minerais

(RIBEIRO, SACHES-PAGLIARUSSI &

RIBEIRO, 2016).

ELETRÓLISE

Trata-se de uma tecnologia de separação que, em geral, não

envolve mudança de fase, o que significa uma economia no consumo

de energia, principalmente se comparado aos processos

tradicionais (SILVA, MELO & FRANÇA, 2010).

Desperdício de energia provocado

pelo aquecimento das próprias

membranas, altos níveis de energia

necessárias para a prática da

eletrodiálise (SOUZA, 2002).

4. CONCLUSÃO

Dentre as tecnologias citadas, cada uma se destaca em um meio diferente como água do mar

ou poços, apresentando vantagens e desvantagens únicas. Portanto, a utilização de uma ou


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outra deve ser analisada caso a caso. Em comum, todas elas apresentam um grande consumo

de energia elétrica, sendo este insumo o maior responsável direto pelo preço da água

dessalinizada.

A osmose reversa é tida como a melhor solução na maioria dos casos, incluindo a utilização em

poços artesianos. Este método é referência atualmente para qualquer novo projeto e é

considerado aquele que utiliza a tecnologia com maior potencial de desenvolvimento e

aplicação. Esse tipo de equipamento de dessalinização é bastante instalado no Brasil, e se

confirmou através dos resultados dessa pesquisa como o método mais adequado para a região

Nordeste. Esse procedimento é feito a partir da aplicação de pressão na solução de maior

concentração, de modo a forçar a água a se mover no sentido daquela com menor

concentração, com uma membrana impedindo a passagem do sal.

O sistema de osmose reversa produzirá sempre a água potável, mas também produz água

residuária (rejeito, salmoura ou concentrado). Desse modo, o sistema de tratamento de água

por osmose reversa traz uma preocupação referente à deposição ou reutilização da água de

rejeito. Estudos sobre a disposição adequada desse rejeito, a fim de evitar impactos negativos

no meio ambiente, estão sendo realizados, como os de Silva e Texeira (2011), Vale e Azevedo

(2013), e Ribeiro, Saches-Pagliarussi e Ribeiro (2016).

Entretanto, novos métodos estão sendo analisados quanto à sua viabilidade, como é o caso de

um projeto que utiliza a tecnologia de evaporação em baixa temperatura (EBT), proposto por

Khandan e Gude (2010), que supostamente reduziria o consumo de energia por metro cúbico

de água tratada em comparação às técnicas tradicionais de evaporação. Além da dessalinização

da água de poços como vem ocorrendo no semiárido pernambucano, a dessalinização da água

do mar também já é uma realidade no Brasil e no mundo, haja vista exemplos em Israel

(ROMILDO, 2018) e em Fernando de Noronha (COMPESA, 2018). É importante salientar que a

dessalinização das águas é uma solução para o abastecimento de comunidades cuja relevância

deverá se acentuar nos próximos anos, face à carência crescente de água potável no mundo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMADO, F. D. R. Produção e aplicação de membranas com polímeros convencionais e polianilina para uso em eletrodiálise no tratamento de efluentes industriais. 2005. Tese (Doutorado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2005. ASTA, Eduardo. Água no Brasil. Folha de São Paulo. 2015. Disponível em: http://www1.folha.uol.com.br/infograficos/2015/01/118521-agua-no-brasil.shtml Acesso em: 30 out 2017. BANDI, C. S.; UPPALURI, R.; KUMAR, A. Global Optimization of MSF seawater desalination processes. Desalination. V. 394, p. 30-43. Set., 2016. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.04.012 BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Água Doce. [2016?]. Disponível em: http://www.mma.gov.br/agua/agua-doce. Acesso em: 01 nov. 2017.


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https://nmwrri.nmsu.edu/wp-content/uploads/2015/technical-reports/tr355.pdf

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Estudo dos Métodos de Dessalinização de Águas Subterrâneas: … · conjunto de estágios (efeitos), um condensador e subsistemas para recolher a água de alimentação salina