Remoção de compostos orgânicos de águas por ultra e nanofiltração em membranas poliméricas

Os recursos hídricos superficiais e subterrâneos tem-se mostrado contaminados, cada vez mais freqüentemente, por substâncias orgânicas e inorgânicas, em nível de traços, prejudicando os seus usos mais nobres, por exemplo, abastecimento público. Este estudo teve por finalidade principal verificar a eficiência de rejeição por membranas poliméricas, de alguns compostos orgânicos tipo, naftaleno, carbofurano, tricloroetileno (TCE) e metil paration, em baixas concentrações. Empregou-se testes hidrodinâmicos de filtração, tipo "dead-end", com taxa de aplicação média de 13,16 m3.m-2.h-1 através das membranas comerciais de características distintas, uma de ultra (UE-50) e duas de nanofiltração (XN-40 e TS-80). Avaliou-se, também, a preparação de água contaminada para a filtração por membranas, através do prétratamento por oxidação do carbofurano em meio líquido, usando um desinfetante padrão, o hipoclorito de sódio. Após a oxidação desde composto, testes hidrodinâmicos de filtração foram realizados para verificar, também, a eficiência de rejeição dos sub-produtos. Por fim, foram realizados testes de envelhecimento das membranas que poderiam ser atacadas pelos compostos orgânicos em solução aquosa. Todos os ensaios foram realizados à temperatura de 25 oC, empregando pressão de filtração de 4 atm. Os compostos orgânicos foram detectados por várias técnicas, principalmente cromatografia gasosa e líquida, sequenciada por espectrometria de massas. Para acompanhar o envelhecimento das membranas, em seis meses de uso, foi empregada microscopia de força atômica, através da medição de porosidade e de rugosidade superficiais. Em termos médios, nas três faixas de concentrações testadas, o metil paration foi o composto mais eficientemente removido pelas membranas em todos os testes realizados, com 59,82 % de rejeição pela membrana UE-50, 43,97 % pela membrana XN-40 e 56,12 % pela TS-80. O TCE foi rejeitado 28,42 %, 23,87 % e 21,42 % pelas membranas UE-50, XN-40 e TS-80, respectivamente. O naftaleno, foi rejeitado 20,61 %, 14,85 % e 12,63 % pelas membranas UE-50, XN-40 e TS-80, respectivamente. Para o carbofurano, a percentagem de rejeição pelas membranas UE-50, XN-40 e TS-80 foi, respectivamente, de 4,51 %, 4,88 % e 2,92 %. Dentre todas as membranas testadas, a membrana de polisulfona UE-50, de ultrafiltração, produziu a melhor eficiência na rejeição de metil paration, tricloroetileno e naftaleno, com 59,82 %, 28,43 % e 20,61 % de rejeição, na ordem. A membrana de poliamida-uréia TS-80, de nanofiltração, proporcionou maior rejeição (56,12 %) que a membrana de poliamida XN-40, de nanofiltração (43,97 %), para o metil paration. Ao contrário, a membrana XN-40 mostrou uma rejeição maior (23,87 %) que a TS-80 para o tricloroetileno (21,42 %). Para o naftaleno, a membrana XN-40 também mostrou uma rejeição (14,85 %) maior que a TS-80 (12,63 %). A eficiência de rejeição do carbofurano foi a menor de todos os compostos ensaiados, independente da membrana. Se for assumido que a membrana de ultra deverá ser seguida pela de nanofiltração, a eficiência conjunta UE-50 + XN-40 será, em termos médios, para o naftaleno, carbofurano, tricloroetileno e metil paration, respectivamente, 32,24%, 9,19%, 45,60% e 77,44%. Para o conjunto UE-50 + TS-80 será de: 30,64%, 7,29%, 43,92% e 83,51%, não havendo diferenças estatisticamente significantes entre os dois conjuntos. Nos testes de pré-tratamento por oxidação do carbofurano, observou-se a formação do carbofurano hidrolisado e mais dois sub-produtos principais, SP-1 e SP-2, que foram rejeitados, 47,85 % e 92,80 %, respectivamente, pela membrana XN-40. Na verificação das perdas das características morfológicas pelo uso prolongado das membranas, sob ataque de compostos orgânicos em baixa concentração ("envelhecimento") verificou-se que a rugosidade (0, 3 e 6 meses) e a porosidade (0, 3 e 6 meses) foram consideravelmente alteradas. A porosidade da membrana XN-40 aumentou 42,86% e a da membrana TS-80 aumentou 34,57%, quando imersas por 3 meses. A rugosidade das membranas XN-40 e TS-80 nos testes de imersão por 3 meses, aumentou 5,37% e 291% respectivamente. Nos testes de imersão em 6 meses, o aumento da porosidade das membranas XN-40 e TS-80 foi de 29,67% e 18,52% respectivamente, enquanto que a rugosidade aumentou 25,27% e 155% para as mesmas. Conclui-se que membranas de nanofiltração poliméricas necessitam de prétratamentos para rejeitar, com segurança, e colocar dentro dos padrões de potabilidade, águas contaminadas com os compostos orgânicos tipo testados e que seu uso prolongado irá afetar as suas características de rejeição dos contaminates.

Produção e caracterização de membranas catiônicas para eletrodiálise com polímeros convencionais e polianilina dopada com diferentes ácidos orgânicos

Neste estudo foram realizadas diferentes misturas entre polímeros convencionais (poliestireno de alto impacto e poliuretano) e polianilina, com o objetivo de produzir membranas para eletrodiálise. As membranas foram caracterizadas através da quantidade de água absorvida, capacidade de troca iônica, espectroscopia FTIR e Raman, análise termogravimétrica e análise dinâmico mecânica. A estabilidade química em meio ácido, alcalino e fortemente oxidante também foi avaliada para escolher qual o meio mais apropriado para executar as eletrodiálises. Através de microscopia eletrônica de varredura foi observado a morfologia das membranas, onde pode-se ver a incorporação da polianilina na matriz polimérica. Foram feitos ensaios de eletrodiálise usando as membranas produzidas e foram realizados ensaios para a determinação dos números de transporte para o zinco em meio ácido e alcalino através de algumas membranas para avaliar a seletividade das membranas a cátions e ânions. Após ser comprovado a seletividade à cátions, foram determinados o número de transporte e a extração percentual para todas as membranas. Os resultados foram comparados com os resultados obtidos para a membrana comercial Nafion 450, sendo encontrado uma permeabilidade a zinco através das membranas produzidas similar à permeabilidade da membrana comercial Nafion 450.

Tratamento do efluente alcalino do branqueamento da polpa de celulose pelo processo de separação por membranas

O presente trabalho estuda o reaproveitamento do efluente alcalino do branqueamento da polpa, da indústria de celulose, através de processos de separação com membranas. Para tanto, foram realizados testes com o efluente industrial para diferentes membranas e, simultaneamente, foi pesquisada a aplicação do processo de flotação como pré-tratamento para retirada de fibras do efluente. A avaliação dos resultados foi realizada por meio de determinações analíticas e monitoramento de alguns parâmetros. Os experimentos foram executados em equipamentos de bancada e piloto. A etapa de separação com membranas envolveu os processos de ultrafiltração, nanofiltração, osmose reversa e combinações destas operações. De forma a escolher um processo com retenção e fluxo permeado adequados variou-se durante os testes a pressão através das membranas e a temperatura. As análises realizadas para a caracterização do efluente foram: pH, condutividade elétrica, turbidez, sólidos totais (ST), demanda química de oxigênio (DQO), compostos organo-halogenados (AOX), ferro, magnésio, cálcio, sódio, potássio e manganês. A DQO foi o principal critério utilizado para avaliar a qualidade do permeado. Os ensaios de flotação foram realizados com e sem adição de compostos químicos auxiliares. A eficiência do processo foi avaliada através das análises de ST, condutividade elétrica, pH, recuperação de fibras, teor de alumínio, turbidez e visualmente Os resultados indicaram que todos os processos testados trouxeram uma melhoria nas características do efluente, incluindo reduções de até 90% no valor de DQO em alguns casos. O processo que apresentou a melhor performance foi a combinação UF5+ORP. A investigação preliminar sobre a flotação das fibras mostrou que, apesar de ter atingido uma remoção de fibras de 95% ainda havia a presença de partículas grosseiras, as quais poderiam causar danos aos processos com membranas. Mais estudos devem ser realizados no sentido de otimizar o processo de flotação.

Estudo do rejuvenescimento de membranas de poliamida de osmose reserva utilizando ácido tânico

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o rejuvenescimento de membranas de poliamida de osmose reversa utilizando ácido tânico como agente de rejuvenescimento. Em uma primeira etapa foram estudadas oxidações de membranas por cloro livre catalisadas por ferro e alumínio, e degradações promovidas por procedimentos de limpeza química. Posteriormente, testes de rejuvenescimento foram realizados para encontrar as melhores condições para a recuperação da eficiência das membranas. Parâmetros operacionais de procedimentos de rejuvenescimento, tais como: pressão, pH e concentração de ácido tânico da corrente de alimentação foram variados a fim de otimizar a eficiência do tratamento químico na superfície das membranas. Os experimentos foram realizados em um sistema de osmose reversa (OR) em bancada, que pode operar com dois tipos de módulos para membrana, um para membrana plana e outro para membrana em espiral. As performances das membranas foram avaliadas medindo-se a retenção de NaCl e sílica, utilizando-se soluções contendo 2000 ppm de NaCl e também água de alimentação do sistema de OR da empresa AZ. Os resultados obtidos com os experimentos demonstraram que o alumínio e o ferro catalisaram oxidações por cloro livre nas superfícies das membranas utilizadas Também, o agente de limpeza química lauril sulfato de sódio degradou membranas que tinham suas superfícies previamente oxidadas por cloro livre. O tratamento de rejuvenescimento melhorou a retenção de NaCl e de sílica de membranas previamente oxidadas e degradadas por cloro livre e lauril sulfato de sódio, respectivamente. Este trabalho é complementado por um estudo sobre as condições operacionais e de performance das membranas do sistema de osmose reversa da empresa AZ, a fim de verificar e/ou confirmar algumas dúvidas relacionadas com o decréscimo na performance do sistema de OR.

Estudo teórico-experimental do processo de microfiltração de partículas de sílica em suspensão aquosa

Cada vez mais muitos processos industriais convencionais de separação, tais como destilação, centrifugação e extração com solventes, entre outros, estão sendo substituídos pelos processos de separação por membranas em virtude desses apresentarem vantagens em relação aos processos convencionais, além de serem considerados uma tecnologia limpa. Entre estas vantagens pode-se citar a economia de energia, pois não envolvem mudança de fase; a possibilidade de processamento de substâncias termolábeis, pois podem operar à temperatura ambiente; a maior seletividade; a facilidade de scale – up, pois são modulares e não extensivos em mão de obra, entre outros. Uma característica limitante destes processos é a existência de uma camada de elevada concentração de partículas ou moléculas que se forma próxima à superfície da membrana e que ocasiona uma redução no fluxo permeado, podendo modificar as características de retenção da membrana. Este fenômeno é conhecido como polarização por concentração. O entendimento dos mecanismos de polarização é considerado de grande importância neste campo e o estudo e validação de modelos matemáticos preditivos torna-se necessário para se obter sucesso na aplicação dos processos com membranas no meio industrial O objetivo geral deste trabalho consiste na análise teórico-experimental do processo de microfiltração tangencial com suspensão aquosa de partículas de sílica. O objetivo específico é a utilização de dados experimentais para a estimação de um parâmetro do modelo matemático que descreve o perfil de concentração na superfície da membrana ( membrana). A configuração tangencial implica que a alimentação, contendo as partículas a serem removidas ou concentradas, flui paralelamente à superfície da membrana reduzindo, assim, o fenômeno de polarização por concentração. Os experimentos foram efetuados em uma unidade de bancada de microfiltração tangencial, também conhecido como fluxo cruzado, em um módulo para membrana plana com canal de escoamento retangular sob condições de escoamento laminar. Os seguintes parâmetros foram variados durante os experimentos: pressão transmembrana, velocidade tangencial e concentração de partículas de sílica Os dados experimentais foram utilizados em uma modelagem matemática, baseada nas equações fundamentais da mecânica dos fluidos e da transferência de massa, que considera as propriedades físicas da suspensão, viscosidade dinâmica e difusividade mássica, variáveis com a concentração de sílica para se estimar a concentração máxima de sílica junto à superfície da membrana. Esta modelagem engloba os parâmetros operacionais, bem como as características da membrana nesta única variável. Com a finalidade de se verificar como a concentração máxima sobre a membrana é afetada pelas condições operacionais e, conseqüentemente, como esta afeta o fluxo permeado, a concentração máxima sobre a superfície da membrana é apresentada em função das condições operacionais variadas durante os experimentos de microfiltração. Finalmente, após a estimação desta variável, pôde-se concluir que ela é influenciada pelas condições operacionais típicas do processo de microfiltração tangencial, tais como velocidade tangencial de escoamento, pressão através da membrana e concentração da alimentação.

Desenvolvimento de analisadores virtuais aplicados a colunas de destilação industriais

Nas indústrias de processo, algumas variáveis como as composições de topo de colunas de destilação são quantificadas através de análises laboratoriais e ou de analisadores em linha. Este tipo de controle apresenta algumas limitações tais como custos de manutenção e o tempo de amostragem (em geral análises laboratoriais ocorrem de 1 a 3 vezes ao dia). Para melhoria destes métodos, as variáveis podem ser continuamente estimadas a partir de sua relação com as variáveis medidas diretamente no processo. Através de um algoritmo matemático, um analisador virtual de propriedades pode ser construído, sendo necessário para o seu desenvolvimento um modelo simplificado do processo. Este trabalho teve como objetivo a construção de dois analisadores virtuais para estimação das composições de topo de duas colunas fracionadoras de tolueno presentes em uma indústria petroquímica. Para tal, estudou-se as metodologias existentes para construção de analisadores voltados para aplicações em colunas de destilação. O desenvolvimento de analisadores virtuais tem como base três etapas: seleção de variáveis secundárias, construção de modelos e correção/adaptação de modelos. Tais etapas, baseadas principalmente em métodos estatísticos, foram estudadas e as técnicas que melhor se adaptaram ao caso em questão foram empregadas com resultados satisfatórios. Realizaram-se também estudos comparativos entre modelos estacionários e dinâmicos e modelos construídos a partir de dados de simulação e de processo. As simulações foram conduzidas nos softwares Aspen PlusÒ e Aspen DynamicsÒ e o software usado para implementação dos analisadores na indústria foi o Aspen IQÒ.

Estudo da influência das monocloraminas sobre as membranas de poliamida da osmose inversa

A tecnologia de separação por membranas, especialmente a osmose inversa, está sendo usada atualmente como uma alternativa de produção de águas com maior qualidade e, também, como processo de tratamento de águas industriais para reuso. Entretanto, a utilização das membranas é limitada pela sua vida útil e varia conforme a natureza e quantidade de impurezas presentes nos efluentes e a freqüência de limpeza. Algumas impurezas também podem propiciar o desenvolvimento de microorganismos nos canais de escoamento e na superfície das membranas que, em maior ou menor grau, irão contribuir para a degradação das membranas, fenômeno este conhecido como biofouling. Para prevenir o biofouling é necessário um eficiente processo de desinfecção da corrente de alimentação do sistema de osmose inversa, com o objetivo de promover a morte dos microorganismos e oxidar a matéria orgânica. A cloração é a prática adotada em muitas indústrias, mas o cloro pode causar danos ambientais, perigos à saúde na indústria e também pode trazer prejuízos às membranas de poliamida, amplamente utilizadas na osmose inversa. É necessário encontrar um agente menos agressivo ao ambiente e que possa ser mantido em baixas concentrações na corrente de alimentação da osmose inversa sem danificar as membranas de poliamida Neste contexto, o presente trabalho, teve como objetivo estudar o efeito das monocloraminas sobre as membranas de poliamida na osmose inversa e comparar o desempenho das membranas com resultados observado na literatura para outros oxidantes. A cloramina inorgânica é um oxidante mais fraco que o cloro livre, mas é capaz de reduzir a população total das bactérias a um nível aceitável. Diversos experimentos foram realizados em uma unidade de bancada de osmose inversa utilizando soluções de monocloraminas e membranas de poliamida. Também foi estudado o efeito catalítico dos íons ferro e alumínio nas reações que levam à degradação das membranas pelo agente oxidante. Os resultados indicam que houve uma degradação das membranas de poliamida pelas monocloraminas evidenciada pelo aumento do fluxo permeado e redução da retenção salina, porém com um comportamento muito menos agressivo que o observado com o cloro e dióxido de cloro nas mesmas condições experimentais. O efeito catalítico dos metais estudados não pôde ser confirmado já que foi observado um aumento da concentração de ferro durante os experimentos causada pela oxidação das partes metálicas da unidade de osmose inversa devido a alta concentração de monocloraminas.

Estudo da influência do CIO2 sobre membranas de poliamida para osmose inversa

Água de alta pureza é utilizada para uma grande variedade de aplicações industriais, como na geração de vapor de alta pressão, na indústria de componentes eletrônicos e na fabricação de medicamentos. Os processos de separação por membranas (PSM), em particular a osmose inversa (OI), estão sendo cada vez mais utilizados na desmineralização de águas de uso industrial. As vantagens dos PSM, em relação aos processos convencionais, são que estes ocorrem sem mudança de fase, operam na temperatura ambiente e são altamente seletivos e modulares. Estes processos apresentam algumas limitações ao seu uso, sendo a principal o fouling das membranas, o qual pode ser devido à precipitação de substâncias, à adsorção ou até mesmo ao desenvolvimento microbiano. Este problema pode ser minimizado quando o sistema de OI é projetado e monitorado adequadamente, incluindo o pré o póstratamento da água. O desenvolvimento microbiano no sistema de membranas é um dos fatores que causa a maior perda de desempenho do sistema de OI. O seu controle é realizado através da utilização de agentes desinfetantes no pré-tratamento da água. O cloro é o agente oxidante mais utilizado na desinfeção da água e, mesmo em concentrações muito baixas (abaixo de 0,1 ppm), pode degradar a poliamida (PA), material amplamente utilizado na fabricação de membranas de OI. Tendo em vista este problema, o presente estudo tem como objetivo pesquisar um agente oxidante alternativo ao cloro, especificamente o dióxido de cloro, que possa ser mantido em baixas concentrações na corrente de alimentação do sistema de OI, sem danificar as membranas Os experimentos foram realizados em uma unidade de bancada de OI com escoamento tangencial, com módulo de membrana plana. Os efeitos de ClO 2 sobre a membrana de PA foram verificados a partir de alterações do seu desempenho. O desempenho da membrana de PA foi avaliado através de medidas de fluxo permeado, permeabilidade hidráulica e de retenção salina. Os resultados obtidos indicam que as membranas de PA são degradadas quando expostas a soluções contendo ClO 2 na concentração aproximada de 500 ppm. Nos experimentos onde a concentração do oxidante foi mantida em torno de 50 ppm, a degradação da membrana de PA exposta ao ClO 2 foi menor que a observada quando a membrana foi exposta ao cloro livre (aprox. 50ppm) em condições operacionais semelhantes. Observou-se ainda que pode existir uma relação entre o nível de degradação e a composição da alimentação. Como uma etapa complementar a este trabalho, foi acompanhada a partida de um sistema de OI industrial, no qual as membranas são de PA e a corrente de alimentação contém uma concentração residual de ClO 2 proveniente do sistema de pré-tratamento da água.

Tratamento anaeróbio de efluente de curtume de acabamento associado a membranas de micro e ultrafiltração

Esta pesquisa teve por objetivo avaliar aspectos fundamentais para o emprego de processo anaeróbio associado a membranas de micro e ultrafiltração no tratamento de efluentes de curtume oriundos do processo de acabamento. Para tanto, foi utilizada uma unidade piloto composta de um reator anaeróbio de mistura completa com um volume útil de 40 L, uma unidade de microfiltração para separação de biomassa e uma unidade de ultrafiltração para reter no sistema compostos macromoleculares (taninos). O material constituinte das membranas era cerâmica e o diâmetro médio de poro, especificado pelo fabricante, da microfiltração foi 0,2 mm e da ultrafiltração 0,005 mm. A biomassa no reator anaeróbio foi inoculada para que a concentração inicial fosse de 7.000 mg/L de SVT, sendo a origem desta um reator UASB tratando efluente de uma fábrica de gelatina. O trabalho foi desenvolvido em três etapas, sendo utilizadas diferentes pressões nas membranas, a saber: na primeira etapa as membranas foram operadas com um pressão de 800 kPa, na segunda com uma pressão de 600 kPa e na terceira etapa a pressão utilizada foi de 400 kPa. A remoção de cromo foi superior a 95% em todas as etapas, sendo que a maior remoção ocorreu no conjunto reator anaeróbio e microfiltração. Este comportamento deveu-se à fixação deste metal na biomassa e à conseqüente retenção desta na operação de microfiltração. A remoção média de matéria orgânica, avaliada através do parâmetro DQO, para as três etapas estudadas foi 68,13%, 58,32% e 60,17% e, em todo o sistema, de 81,93%, 76,20% e 69,15%. Ocorreu remoção total dos sólidos suspensos já que o diâmetro de poro da membrana de microfiltração era 55,55% inferior ao diâmetro de poro utilizado nas membranas para determinação de sólidos suspensos. Já para sólidos totais, onde inclui-se os dissolvidos, esta eficiência variou de 42% a 63%.

Avaliação da eficiência de pratos valvulados com downcomer e pratos dualflow em colunas de destilação industriais

O principal objetivo deste trabalho é estabelecer caminhos apropriados para a estimativa da eficiência de pratos valvulados com downcomer e pratos dualflow em colunas de destilação industriais. O conhecimento da eficiência tem importância fundamental no projeto e na avaliação do desempenho de colunas de destilação. Pesquisando a literatura, pôde ser identificada uma árvore de alternativas para compor o modelo de eficiência de prato, dependendo dos modelos de transferência de massa, do modelo de distribuição das vazões de líquido e vapor sobre o prato, do modelo de arraste de líquido, do modelo de equilíbrio da mistura multi-componente, dos modelos de propriedades físicas, do modelo da altura da espuma sobre o prato e da definição de eficiência. Neste trabalho, diferentes métodos para a predição da eficiência em pratos valvulados e pratos dualflow foram compostos e comparados contra dados de três colunas de destilação industriais sob diferentes condições operacionais. Os modelos foram inseridos no simulador Aspen Plus 12.1, em linguagem Fortran, junto com dados geométricos dos pratos, propriedades dos fluidos e dados de operação das colunas de destilação industriais. Para cada coluna foi escolhido o melhor pacote termodinâmico pela verificação dos perfis de temperatura e composições de topo e fundo obtidos via simulação contra os valores reais correspondentes das colunas de destilação industriais. Foi feita uma modificação no parâmetro da fração de furos que estão em jetting no modelo hidráulico da dispersão acima do prato de Garcia (1999). Essa modificação produziu resultados melhores na predição da fração de furos em jetting e eficiência dos pratos dualflow e resultados similares aos de Garcia (1999) para a eficiência dos pratos valvulados.