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Dessalinização de água da Baía de Guanabara por destilação com membranas

Resumo

A inevitável escassez de água doce no mundo tem se tornado cada vez mais uma grande preocupação entre governos e empresas. São importantes fatores de desenvolvimento industrial a minimização dos impactos ambientais e o crescimento sustentável, com o uso racional de recursos hídricos e a redução dos custos associados à captação de água. Assim, torna-se premente o desenvolvimento de meios de utilização alternativa de fontes de água, tal como o emprego da tecnologia de dessalinização, que permite a utilização de fontes salinas em processos industriais. A destilação por membrana (DM) é um processo não-isotérmico de separação conhecido há cerca de 50 anos, que, apesar de apresentar-se ainda em processo de desenvolvimento, é citado como um dos processos emergentes de separação por membranas. A DM consiste em um processo de transferência de massa e calor simultâneas, cuja força motriz para o transporte é dada pela diferença de pressão parcial de vapor entre duas correntes aquosas com diferentes temperaturas. Pode apresentar elevados fatores de rejeição de solutos não voláteis, próximos de 100%, o que resulta na produção de permeado com grande pureza. No Rio de Janeiro, diversas empresas situam-se próximas à Baía de Guanabara, que poderia ser utilizada como fonte de água de processo através da dessalinização, impedindo assim o uso de água doce que pode ser distribuída à população. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo o estudo do processo de destilação por membrana para dessalinização de água da Baía de Guanabara, com o intuito de produzir água para utilização em processos industriais. Para tal, foi desenvolvido um sistema em escala piloto, alimentado com água microfiltrada da Baía de Guanabara como corrente quente do processo, e água da rede pública como corrente fria. Os resultados preliminares do desempenho do sistema indicaram uma remoção de sais superior a 99%.

Introdução

A destilação por membranas é uma tecnologia promissora, que possui diversos benefícios em relação à processos convencionais e grande eficiência de remoção. No processo de destilação por membranas, uma solução salina aquecida é mantida em contato com um lado de uma membrana microporosa hidrofóbica, e uma solução destilada pura e fria é mantida do outro lado. A hidrofobicidade da membrana impede que a mesma seja molhada pelas soluções. Por causa da diferença de temperatura entre os dois lados da membrana, há uma diferença de pressão de vapor, como demonstrado na Figura 1, que induz a difusão de vapor de água através dos poros da membrana e retém com elevadas eficiências contaminantes não voláteis (BAKER, 2012; KHAYET; MATSUURA, 2011).

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É possível gerar a diferença de pressão de vapor responsável pela força motriz do processo com diferentes configurações de DM. A destilação com membrana por contato direto, demonstrada na Figura 2, é a configuração mais simples. Uma solução aquosa mais fria do que a solução de alimentação é mantida em contato direto com o lado do permeado da membrana. Ambas as soluções aquosas de alimentação e de permeado são circuladas tangencialmente às superfícies da membrana, promovendo a formação do gradiente de temperatura, que induz a diferença de pressão de vapor. Consequentemente, as moléculas dos componentes mais voláteis evaporam-se na interface líquido aquecido/vapor, atravessam os poros da membrana em fase de vapor e condensam-se na interface líquido frio/vapor, dentro do módulo da membrana. Esta configuração reduz a resistência à transferência de massa do lado do permeado quando comparada com outras configurações de DM. Em compensação, como a membrana é a única barreira para separação entre a alimentação quente e o permeado frio, esta configuração é a que apresenta a maior perda de calor por condução (KHAYET; MATSUURA, 2011; PANGARKAR et al., 2016; WANG; CHUNG, 2015).

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Além dos elevados fatores de rejeição dos solutos não voláteis, o processo de destilação por membrana possui diversos benefícios. Como não é um processo orientado à pressão, requer pressões hidrostáticas de operação muito mais baixas do que em processos que utilizam pressão como força motriz, resultando em um menor custo capital em comparação com estes processos (BAKER, 2012; KHAYET; MATSUURA, 2011). O processo geralmente ocorre em temperaturas de operação de 60 a 80°C, mais baixas do que na destilação convencional. Por isso, requer baixo suprimento de calor, consequentemente resultando em baixo requisito energético. A possibilidade de utilização de calor residual e fontes de energia renováveis permite que a DM seja utilizada em conjunto com outros processos industriais, como, por exemplo, a partir da energia cedida por coletores solares térmicos, que possuem bom desempenho na faixa de operação de temperatura utilizada (KOSCHIKOWSKI; WIEGHAUS; ROMMEL, 2003).

O processo de destilação por membranas tem sido aplicado principalmente em escala de laboratório. Devido ao produto de alta pureza produzido, o processo é bastante aplicável nas indústrias ambientais, químicas, petroquímicas, alimentícias, farmacêuticas e biotecnológicas. Recentemente, algumas plantas piloto tem sido propostas para dessalinização e dessalinização nuclear, mas ainda estão sob testes experimentais e não estão com uso completamente consolidado (KHAYET; MENGUAL; ZAKRZEWSKA-TRZNADEL, 2006).

A utilização de processos de dessalinização tal como a destilação por membranas representa um passo importante e estratégico em relação ao gerenciamento de recursos hídricos. Neste contexto, foi desenvolvido um projeto para estudar diversos processos de separação com membranas para dessalinização de água da Baía de Guanabara, a fim de prover água para utilização em processos industriais. O projeto é desenvolvido em uma planta piloto, cujo permeado de uma unidade de microfiltração alimenta três diferentes unidades de dessalinização, contendo os processos de osmose inversa, eletrodiálise e destilação com membranas. A unidade de destilação com membranas foi construída inteiramente pela equipe, com projeto próprio, tendo iniciado suas operações em outubro de 2018 e apresentando-se então como o objeto de estudo deste trabalho.

Autores: Amanda Loreti Hupsel; Cristiano Piacsek Borges; Gisele Mattedi Barbosa; Rodrigo Suhett de Souza e Ricardo de Araujo Cid da Silva.

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