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Decloração por radiação UV, livre de químicos, para proteção de membranas OR

Uma grande empresa internacional de produtos de higiene pessoal recentemente adicionou sistemas de decloração de água de alimentação a seus equipamentos de osmose reversa usando a tecnologia de radiação UV hidro-óticaTM (UV HOD) da Atlantium na América do Sul, após o sucesso da mesma aplicação em outros lugares do mundo.
Abaixo analisaremos a melhor alternativa para remoção de cloro em águas de alimentação para membranas de osmose reversa, com a maior eficiência, maior simplicidade operacional e sem impacto ambiental: radiação UV com lâmpadas de média pressão e reflexão de fótons desenvolvida pela Atlantium Technologies, Israel.

Introdução

A tecnologia de Osmose Reversa (OR) é o método mais comum de dessalinização de água potável de qualquer fonte de água, incluindo o reúso de efluentes, para a produção de água de baixíssima salinidade e alta pureza para aplicações industriais e industriais.
Atualmente as membranas OR têm alcançado alta confiabilidade operacional, além de altíssima durabilidade química e mecânica, portanto, quando operadas corretamente, podem apresentar desempenho estável por até 10 anos.
A estabilidade dos principais parâmetros de desempenho da membrana são a permeabilidade, ou seja, sua capacidade de produzir água dessalinizada na pressão de operação e a rejeição de sais. Em parâmetros de processo constantes, os valores da pressão de alimentação e da salinidade do permeado fornecem uma indicação clara da condição das membranas.
A estabilidade de rejeição de sal da membrana de OR está relacionada à sua integridade que pode ser danificada por abrasão mecânica devido a partículas em suspensão, frequência de limpeza química ou reação química com produtos que não são compatíveis com o polímero de poliamida.

 

Efeito de oxidantes fortes no desempenho das membranas de osmose reversa

Entre os poucos produtos químicos que podem reagir com o material de poliamida que constitui a parte ativa das membranas de OR estão os agentes oxidantes fortes, sendo a presença de cloro livre o mais comum em águas de alimentação.
O processo de reação do cloro livre com o polímero de poliamida é mostrado esquematicamente abaixo:
 
Decloração:
Todos os processos de descloração são baseados na redução de cloro ou cloraminas livres para cloro. Os dois métodos mais populares até agora são:

  • Decloração pela passagem da água de alimentação através de filtros de carvão ativado
  • Descloração por dosagem de um agente redutor, normalmente metabissulfito de sódio

No entanto, a descloração por radiação ultravioleta está cada vez mais sendo realizada. O processo consiste em expor a água de alimentação à radiação ultravioleta, o que, como veremos, proporciona uma redução do cloro sem o uso de produtos químicos com o benefício adicional de uma redução praticamente completa da atividade bacteriana.
 
Decloração Usando Filtros Granulares de Carvão Ativado (GAC)
A decloração com filtros de carvão ativado granular é um método muito eficaz para reduzir o cloro livre. Os produtos finais desse processo de descloração são o íon cloreto e o CO2 de acordo com a reação:

2Cl2 + 2H2O   >    è 4H+ + 4Cl + CO2
2NH2Cl + 2H2O >  2NH4+ + 2Cl + CO2
A decloração do filtro de carvão ativado foi amplamente aplicada no passado para tratar alimentação por osmose reversa.
É um método muito seguro de reduzir a concentração de cloro e cloraminas livres. Este processo também tem a capacidade de reduzir parcialmente a concentração de compostos orgânicos presentes na água de alimentação. Sua alta porosidade fornece uma grande superfície de “adsorção” por unidade de volume.

Porém, a decloração do GAC também apresenta diversas dificuldades para o correto funcionamento do processo de OR, gerando alguns inconvenientes que impactam no desempenho do sistema e seus custos operacionais associados. Fundamentalmente, os problemas causados ​​são principalmente:

  • Rápido crescimento da população de bactérias devido ao desaparecimento do cloro
  • Simultaneamente o carbono adsorve a matéria orgânica que atua como nutriente
  • O carvão vegetal fornece uma superfície áspera e rachada, muito adequada para promover a fixação e proliferação bacteriana

• Requer retrolavagem e higienização frequentes, o que reduz sua vida útil, liberando partículas de carvão que entopem os cartuchos de microfiltro e significam custos de mão de obra associados e perda de produção.

 
Decloração Por Dosagem de Metabissulfito de Sódio (Na2S2O5)
A decloração da água com compostos de sulfito é baseada na reação de oxidação-redução entre o composto contendo enxofre no estado de oxidação +4 e o cloro. Nesse processo, o enxofre é oxidado a um estado de oxidação de +6 e o ​​cloro é reduzido a íon cloreto.
O processo de decloração consiste na reação de espécies como o íon sulfito (SO3=) com cloro livre ou combinado:
Na2S2O5 + H2O  >  2NaHSO3
SO3= + HOCl   >  SO4= + Cl + H+
SO3= + NH2Cl + H2O  > SO4= + Cl + NH4+
As reações acima são rápidas e resultam na conversão completa dos compostos de cloro no íon cloreto após a adição de MBSS.
Embora estequiometricamente correspondesse a aproximadamente 2 ppm de MBSS por ppm de cloro residual, é geralmente usado em excesso, em uma proporção de cerca de 3:1.
Esse processo de decloração é confiável, mas tem suas desvantagens e desvantagens. Além das questões de logística, controle, etc., dependendo do tipo de água a ser tratada, o “potencial de crescimento bacteriano” é favorecido:
O cloro atua simultaneamente sobre os microrganismos e a matéria orgânica presente, transformando parte dele em moléculas mais simples e “assimiláveis” que atuam como nutrientes, enquanto, em paralelo, o MBSS irá reduzir não só o cloro residual, mas também o oxigênio dissolvido.
Esses fatores combinados fornecem um ambiente propício à proliferação descontrolada de micro-organismos anaeróbios na superfície das membranas que deveriam proteger, favorecendo a formação de biofilme abundante e, por fim, biofouling frequente.

 
Decloração Por Radiação UV: Uma Alternativa Inovadora
Uma tecnologia de decloração cada vez mais popular, sem nenhuma das desvantagens acima, é o tratamento com luz ultravioleta (UV).
Antes de avaliar a tecnologia, é importante observar que o cloro na água permanece apenas o cloro molecular (Cl2) em um pH muito baixo. Nos valores usuais de pH para tratamentos de água, encontraremos um equilíbrio entre os ácidos hipoclorosos e o íon hipoclorito.

Os sistemas convencionais de UV com lâmpadas de baixa pressão (LP) que emitem radiação monocromática a 254 nm, como pode ser visto na figura, não são eficientes na quebra da ligação ClO e, portanto, na decomposição tanto do ácido hipocloroso quanto do íon hipoclorito. Os comprimentos de onda máximos para a dissociação do cloro livre (na verdade, suas formas em solução aquosa em pH >4, íon hipoclorito e ácido hipocloroso) variam de 200 nm a 300 nm.

Por esse motivo, o uso de sistemas como o UV HOD da Atlantium com lâmpadas de alta intensidade e amplo espectro (também conhecido como UV de média pressão) é especialmente eficaz, o que reduz o cloro livre, como compostos de cloro combinados, em subprodutos facilmente removíveis, uma vez que, entre comprimentos de onda de 180 nm a 350 nm, a luz ultravioleta produz reações fotoquímicas que dissociam o cloro livre para formar cloretos ou ácido clorídrico.

Portanto, apenas lâmpadas policromáticas de média pressão são adequadas para esta aplicação.
2(OClˉ) + 2() (fótons UV) > 2(Clˉ) + O2(g)
2(HOCl) + 2() (fótons UV) > 2(HCl) + O2(g)
A dose de radiação UV necessária para a decloração depende do nível de cloro total dos compostos orgânicos e das concentrações de redução alvo. A dose usual para a remoção do cloro livre é muito superior à dose normal de desinfecção e, portanto, as membranas são simultaneamente protegidas da formação de biofilme alcançando a ausência total de micro-organismos que possam se fixar em sua superfície.
 
Benefícios Adicionais Importantes de Usar Decloração Com UV são:

  • Altos níveis de desinfecção UV
  • Redução do TOC devido à fotólise da matéria orgânica em altas doses de UV
  • Eliminação do risco de segurança associado à aplicação de bissulfito
  • Eliminação do risco de introdução de micro-organismos na OR (por meio de GAC ou injeção de produtos químicos neutralizantes)
  • Melhoria geral na qualidade da água no ponto de uso em comparação com outras tecnologias de decloração

 
Máxima Eficiência a Partir da Tecnologia UV HOD da Atlantium:
A tecnologia patenteada Reflexão Interna Total (TIR) ​​do sistema UV HOD, que é semelhante à propagação de fibra ótica, recicla a energia da luz UV dentro da câmara de desinfecção para garantir uma distribuição de dose de radiação homogênea ultravioleta e ao mesmo tempo exibe eficiência de energia superior (kW) em comparação com os sistemas UV convencionais.

O equipamento também possui um sistema abrangente de controle e monitoramento que inclui um sensor de UV dedicado por lâmpada, um sensor de UVT (transmitância da água) integrado e um sinal de alimentação de um medidor de fluxo para manter a dose UV necessária.
Esta abordagem avançada de controle e monitoramento é exclusiva da tecnologia UV HOD e garante o desempenho do sistema e a biossegurança da água por meio de uma solução não química econômica.
 
Controle Avançado e Monitoramento
Cada sistema UV HOD vem equipado com uma interface de controle avançada, fácil de usar e abrangente, incomparável na indústria, permitindo que o desempenho do sistema seja rastreado e forneça aos operadores dados em tempo real sobre a eficácia do tratamento. O painel exibe continuamente a UVT, fluxo, potência e dose de UV.
O controlador permite o registro de dados por até seis meses e pode ser personalizado com configurações do usuário para valores de alarme para controlar válvulas com nomes de usuário e senhas que podem ser alterados. O controlador pode ser totalmente integrado ao sistema de controle SCADA.
 
Aplicações UV em Sistemas de OR Industriais
A insatisfação com os métodos convencionais de decloração alimentou a busca por métodos alternativos. A seguir estão exemplos de algumas aplicações onde a radiação UV de alta intensidade de amplo espectro (pressão média) foi usada com sucesso para a decloração:
 
Indústria Farmacêutica, Cosmética, de Bebidas:
A instalação do sistema UV permite uma redução drástica na frequência de lavagem das membranas de OR, o que representa uma economia anual significativa.
O número de paradas para manutenção das membranas de OR também é significativamente reduzido.
Os níveis de cloro por volta de 1,0 ppm podem ser reduzidos abaixo de 0,02 ppm pela aplicação de radiação UV para decloração. Assim, ele permite eliminar o uso de dosagem de carvão ativado ou metabissulfito de sódio e, em vez disso, usar a decloração com UV.
Ao contrário dos biocidas químicos, os raios ultravioleta não introduzem toxinas ou resíduos na água do processo e não alteram a composição química, sabor, odor ou pH do fluido sendo desinfetado.

A insatisfação com os métodos convencionais de decloração alimentou a busca por métodos alternativos. A seguir estão exemplos de algumas aplicações onde a radiação UV de alta intensidade de amplo espectro (média pressão) foi usada com sucesso para a descloração:
Isso é especialmente importante na indústria de bebidas, pois a cloração altera o sabor do produto. As cervejarias, por exemplo, optam por usar carvão ativado para remover o cloro livre, mas cada vez mais se buscam alternativas devido aos altos custos de capital, maiores custos de manutenção e dificuldade de desinfetar e limpar o carvão.

Muitas cervejarias, fabricantes de refrigerantes, bem como indústrias farmacêuticas e cosméticas também usam UV para desinfetar água de processo. A radiação ultravioleta inibe o crescimento de todos os micro-organismos, incluindo bactérias, vírus, leveduras e fungos (e seus esporos) e tem muitas vantagens sobre métodos alternativos.
Como pode ser visto nos exemplos acima, as aplicações potenciais de UV de alta intensidade e média pressão para decloração e desinfecção, e os benefícios que trazem, abrangem uma ampla variedade de indústrias e processos.
A decloração UV oferece uma oportunidade real para quem busca otimizar seus processos de produção de água com custos operacionais mínimos, simplicidade de manutenção e nenhum impacto ambiental oferecido por esta tecnologia inovadora.

Entre em contato com a Atlantium para discutir seus desafios de desinfecção de água.