Indústrias pesadas, como de refino, petroquímica e mineração, têm preocupações com a disponibilidade de água, pois estas são afetadas pela escassez local de água e pelos rigorosos regulamentos de descarga de água. A indústria de petróleo e gás precisa de volumes relativamente grandes de água, já que a proporção entre a água e óleo é de 8:1.
A tecnologia de tratamento de água convencional preferida, a osmose reversa (OR), ainda utiliza grande quantidade de energia mesmo após a atualização de tecnologia no processo de OR. As indústrias estão pesquisando fontes alternativas de água e tecnologias de tratamento e implementando práticas de reúso de água.
A tecnologia Forward Osmosis (FO), um método emergente, pode ser usada para mitigar os problemas acima mencionados. A FO usa a diferença de pressão osmótica natural entre duas soluções de diferentes concentrações como força motriz para permear a água através da barreira semipermeável. Devido à energia osmótica renovável livremente disponível, a economia de energia projetada pelos sistemas FO em comparação com as tecnologias convencionais foi alcançada na faixa de 30% a 70%, dependendo da recuperação do produto (água).
A Forward Osmosis pode energeticamente superar as tecnologias convencionais com muito menor propensão a incrustação. Este artigo fornece informações sobre este processo de última geração e os princípios físicos e aplicações da FO, bem como seus pontos fortes, limitações, economia, status de piloto/escala comercial e grandes desafios. Dois tipos diferentes de abordagens da FO, dessalinização direta e indireta, são discutidos.
Introdução
A demanda industrial por água vem crescendo com o ritmo do seu desenvolvimento.1-5 O Banco Mundial previu que, na próxima década, serão necessários cerca de US$ 700 bilhões1 para atender à demanda por água. O progresso em algumas indústrias com uso intensivo de água tem sido significativo, colocando mais pressão sobre a demanda industrial por água.2
O refino de petróleo bruto também é uma indústria com elevado uso de água; cerca de 1,5 bbl (238,5 litros) de água é essencial para processar 1 bbl (159 litros) de petróleo bruto. Pobre em qualidade, o petróleo bruto “com preço favorável”, precisa de volumes relativamente altos para remover sal e impurezas, adicionando calor aos processos (como vapor), remoção de calor dos processos (água de resfriamento), limpeza e manutenção de equipamentos. A figura 1 ilustra a distribuição percentual do uso de água em uma refinaria.2,3
A dessalinização da água do mar e o reúso de efluentes são os meios mais viáveis para as maiores indústrias do mundo mitigar a escassez de água. A osmose reversa é a tecnologia preferida.6 A OR é um processo no qual a água permeia através da membrana de solução concentrada de alto a baixo soluto devido à aplicação de maior pressão hidráulica (P) do que a pressão osmótica (π) na solução concentrada de alto soluto, como mostrado na Fig. 2. A pressão osmótica da solução é a pressão mínima necessária para permear a água em uma solução através de uma membrana semipermeável.
Mesmo com muito desenvolvimento, a OR ainda é uma tecnologia que consome muita energia 5,6. Portanto, é necessário utilizar uma tecnologia alternativa eficiente em termos de energia para atender à demanda por água. A FO está emergindo como uma tecnologia de membrana eficiente em termos de energia para a dessalinização da água do mar e reúso de efluentes.6
A principal diferença entre os processos por FO e OR é a direção da permeação de água, como mostrado na Fig. 2. Na FO, a água (solvente) permeia, na direção oposta da OR, de solução concentrada de baixo a alto soluto devido à maior diferença de pressão osmótica (π2 – π1) do que a diferença de pressão hidráulica (P2 – P1). A solução de baixa concentração é geralmente considerada como solução de alimentação, enquanto a solução de alta concentração é considerada uma solução de extração. Desenvolvimentos recentes da FO são principalmente focados na dessalinização da água do mar e no tratamento de efluentes.
A FO tem uma gama de benefícios potenciais em comparação com a RO, como mostrado na Fig. 3. Na dessalinização da água do mar, é necessária uma pressão hidráulica na faixa de 60 bar – 90 bar na OR para superar a pressão osmótica da água do mar e obter recuperação suficiente; Na FO, é necessária uma pressão hidráulica insignificante na faixa de 1 bar – 2 bar para inserir a alimentação no sistema. Devido a menor exigência de pressão hidráulica, a tendência de incrustação (deposição de matéria orgânica natural e sílica polimerizada na superfície da membrana) é relativamente menor na FO. A incrustação é reversível na FO, mas irreversível na OR. Em outras palavras, a deposição de incrustações na membrana por FO é temporária e, portanto, o fluxo reduzido pode ser completamente recuperado após simples processos de limpeza que melhoram o fluxo médio de toda a água, a qualidade do produto e a vida útil da membrana.6,7
O fluxo de água e a recuperação por FO podem ser facilmente aumentados, elevando a diferença de pressão osmótica através da membrana.8 Esses benefícios acima mencionados reduzem o OPEX contra a OR. Além do baixo OPEX, as vantagens adicionais do uso de sistemas por FO em comparação com a OR incluem:
1.O armazenamento químico e os sistemas de alimentação podem ser compactos para custos de capital, operacionais e de manutenção
2.Menor processo de tubulação
3.Unidades de tratamento mais flexíveis
4.Maior sustentabilidade do processo de dessalinização. 5, 6,7
Muitos cientistas e economistas são atraídos pela ideia de operar as unidades de dessalinização usando energia solar ou eólica. No entanto, essas tecnologias são restritas a pequenas escalas e podem ser práticas apenas para locais “fora da rede “.4 A principal desvantagem dessas tecnologias é que as fontes de energia não estão disponíveis 24 horas por dia.
Vários avanços foram observados na membrana de grafeno, uma fina camada de carbono hibridizado sp2, devido às suas peculiares propriedades mecânicas, térmicas e elétricas. Em tal membrana, a água ou solutos selecionados passam direto através de poros; atualmente, no entanto, os poros não podem ser pequenos o suficiente para rejeitar o sal.4,9 Além disso, a membrana de OR à base de grafeno seria cara em comparação com as membranas comercialmente disponíveis.9
Há duas formas de dessalinização por FO: a dessalinização direta e indireta.5 A primeira retira a água do mar como uma solução de alimentação e uma solução de pressão osmótica relativamente mais alta como solução de extração, que é novamente tratada para o reúso. Este último utiliza água inadequada, como efluentes municipais ou industriais, para diluir a água do mar através da FO; a água do mar diluída é então tratada pelo processo de OR de baixa pressão para produzir água. Ambas as formas de dessalinização por FO são discutidas em detalhes nas seções a seguir.
Sistemas de dessalinização direta por FO
Em um sistema direto de dessalinização por FO (Fig. 4), a água salina (como água do mar) como solução de alimentação e uma solução osmótica reagente de pressão osmótica relativamente maior como solução de extração são tomadas em ambos os lados de uma membrana semipermeável. A água é extraída através da membrana a partir da solução de alimentação para a solução de extração, devido à diferença de pressão osmótica por meio da membrana. A solução de extração diluída é então enviada para um estágio adicional a fim de recuperar água e regenerar a solução de extração. O reagente osmótico na solução de extração pode ser um sal volátil ou não volátil. 5
O processo de dessalinização direta por FO mais estudado é com o reagente osmótico de bicarbonato de amônio devido a suas características facilmente separáveis e regeneráveis.6 O bicarbonato de amônio converte-se em amônia, dióxido de carbono e água a uma temperatura muito baixa (cerca de 40°C) em um processo endotérmico e novamente, pode ser recuperado numa estrutura cristalina a 30°C.
Tem sido relatado que a economia de energia em cerca de 70% pode ser realizada com o uso deste reagente osmótico, em comparação com as tecnologias convencionais. No entanto, os desafios para tornar o processo comercial incluem a redução da perda de bicarbonato de amônio devido ao seu fluxo para a solução de alimentação e transformação completa de amônia, dióxido de carbono e água em bicarbonato de amônio para regeneração da solução de extração.
Os estudos estão sendo direcionados para o desenvolvimento de um novo reagente osmótico, que apresenta capacidades favoráveis como alta solubilidade, alta pressão osmótica, baixo custo, atoxidade, fácil separação, reutilização e sustentabilidade.5,6 As nanopartículas hidrofílicas também têm sido consideradas como uma solução de reagente osmótico, com água do mar sintética como solução de alimentação.
Processos à base de membranas de ultrafiltração têm sido utilizados para a regeneração de soluções de extração. A recuperação mais baixa de nanopartículas hidrofílicas e menor fluxo de água são as principais preocupações com este reagente osmótico de extração. Outro estudo sobre sais divalentes, como o Sulfato de Sódio (Na₂SO₄), usou um reagente osmótico de extração no processo por FO. O estudo mostrou fluxos adequados ao dessalinizar a água salobra; o processo de regeneração da solução de extração foi a nanofiltração.9 A maioria dos solutos de extração estudados até agora são menos realistas devido a seu alto custo, menor fluxo de água e regeneração ineficiente.6,7
Sistemas de dessalinização indireta por FO
Na dessalinização indireta por FO, a mesma não está diretamente envolvida no processo de dessalinização, mas sim como pré-tratamento para a unidade de dessalinização convencional, 7 como mostrado na Fig. 5.
Ao contrário da dessalinização direta, uma etapa adicional da regeneração não é exigida neste tipo de dessalinização. A água do mar como solução de extração e qualquer fonte inadequada, como esgoto industrial ou municipal, é tomada como solução de alimentação. A água é permeada através da membrana por FO na água do mar a partir de água inadequada usando a energia osmótica livre, levando a água parcialmente dessalinizada. Esta água é então enviada para uma unidade de OR de pressão relativamente baixa para posterior dessalinização.
O acoplamento da dessalinização da água do mar e o tratamento simultâneo de efluentes através da integração de FO e OR diminuem o consumo total de energia, oferecendo uma solução viável, em prol da relação água-energia para as regiões costeiras. Os benefícios suplementares dessa integração estão fornecendo tratamento de efluentes com uma boa relação custo-benefício e mitigando o caro gerenciamento de tratamento.
O efluente concentrado tem ainda mais valor, que pode ser usada para produzir biogás ou outros compostos valiosos. Além disso, a água nos efluentes permeia através das membranas por FO e OR. Devido a estas duplas barreiras, a rejeição da maioria das impurezas de micro poluente nos efluentes é relativamente alta 7 em tal sistema de dessalinização versus sistemas tradicionais de tratamento de efluentes.
Como as tecnologias tradicionais de OR, a incrustação na superfície da membrana por FO também é observada na dessalinização indireta. Os vários métodos de limpeza das membranas por FO, como limpeza química, lavagem com ar e retrolavagem osmótica (que inverte o fluxo de permeado gerando o gradiente de pressão osmótica oposto através da membrana) foram extensivamente investigados. É relatado que o retrolavagem osmótica não ajuda a recuperar o fluxo, mas a lavagem com ar e a limpeza química usando agentes químicos comerciais podem aumentar a recuperação do fluxo para 90% -95% .5,7,10,11
Esse deslocamento da restauração do fluxo de 5% a 10% pode ser atribuído à deposição permanente de biopolímeros na superfície da membrana. No entanto, também pode se notar que a percentagem de recuperação de fluxo depende do tipo de incrustações presentes nos efluentes. Os espaçadores (estruturas tipo malha) nos módulos da membrana geralmente reduzem a taxa de incrustação nos processos de membrana.
REFERÊNCIAS
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