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Modelagem análitica para sistemas de dessalinização por osmose reversa acionados por energia solar fotovoltaica: análise de sensibilidade

Resumo

Neste trabalho apresenta-se uma análise de sensibilidade do modelo analítico de Fraidenraich et al. (2016), concebido para analisar o desempenho de sistemas de osmose reversa acionados por energia solar fotovoltaica (OR – FV), tendo por objetivos: a obtenção do valor mínimo de pressão na entrada (P) a partir do qual é possível a utilização do modelo para previsão de valores da concentração média do permeado (Cpmédio) e da vazão do permeado (Qp) com o coeficiente de permeabilidade da membrana (kper) e o coeficiente de permeabilidade do soluto (ks) de valor fixo e proveniente das especificações do conjunto de membranas presente no sistema; como também encontrar o par (kper, ks) diferente do das especficações com o qual seja possível obter melhores previsões com o modelo independentemente do valor mínimo de pressão na entrada. Um sistema de pequena escala composto por três membranas em série foi utilizado para os ensaios experimentais. As salinidades de entrada analisadas foram 2000, 4000 e 6000 mg/L. A priori, duas simulações foram realizadas, a primeira delas considerando o kper e ks fixos e a outra considerando ambos variáveis com P. Para valores de pressão transmembrânica a partir de 400000 Pa, o que corresponde a P ≥ 0,8 MPa, o valor de kper é praticamente constante e igual ao valor considerado na primeira simulação (das especificações do sistema). Com relação aos valores de ks calculados, variáveis com a pressão, o valor médio encontrado foi igual ao valor adotado para a primeira simulação (das especificações do sistema). Assim, foi constatado que para P ≥ 0,8 MPa e kper e ks de valor fixo, os valores gerados pelo modelo apresentam boa concordância com os medidos. Outras simulações foram realizadas para diferentes pares (kper, ks) e foi observada uma considerável redução nos desvios padrão de Cpmédio e Qp.

Introdução

As águas salobras encontradas em poços da região semiárida do Nordeste do Brasil apresentam concentração entre 1000 e 10000 mg/L (Lima, 2006). De acordo com o Ministério da saúde, o Valor Máximo Permitido (VMP) para os Sólidos Totais Dissolvidos (STD), dentre os quais o Cloreto de Sódio (NaCl) está incluso, deve ser de 1000 mg/L para que a água seja considerada potável. Já Organização Mundial da Saúde (OMS) é um tanto mais rigorosa e definiu o patamar máximo de 500 mg/L. Os constituintes iônicos que contribuem para a salinização da água são os íons sódio (Na+1), cálcio (Ca+2), magnésio (Mg+2), potássio (K+1), cloreto (Cl-1), carbonato (CO3-1), bicarbonato (HCO3-1) e sulfato (SO4-2). De forma geral os íons que apresentam maiores concentrações nas águas salobras encontradas em muitos poços do semiárido nordestino são, em ordem, o cloreto (Cl-1), bicarbonato (HCO3-1) e o sódio (Na+1) (Menezes, 2009).

Dentre os diferentes processos para a dessalinização e tratamento da água, a osmose reversa (OR) é o mais usual tendo passado por uma evolução ao longo dos anos, sendo utilizado tanto em aplicações residenciais como também em aplicações hospitalares e industriais (Mauricci, 2002). A OR é considerada uma das tecnologias mais apropriadas tanto do ponto de vista econômico como do de consumo de energia por unidade de água tratada. Consiste numa forma adequada de remover certos contaminantes indesejados da água, como chumbo ou nitratos e bactérias, além de melhorar seu sabor e aparência (Hassinger et al., 1994).

O processo da osmose consiste na passagem do solvente, através de uma membrana semipermeável, de um meio com menor concentração de soluto para um meio com maior concentração em soluto. A pressão que o solvente exerce na passagem através da membrana é denominada de pressão osmótica (π). Quando a diferença entre a pressão na entrada do sistema (P) e a pressão osmótica (P – Δπ) é positiva, na qual Δπ é a diferença de pressão osmótica ao longo da membrana, é criado um gradiente de concentração, provocando um fluxo no sentido oposto ao fluxo natural, processo chamado de OR.

O desempenho de um sistema de OR é determinado pelas condições de entrada e seu comportamento ditado pela fonte de energia utilizada. Quando alimentado pela rede elétrica convencional, estas condições são fixas. Quando alimentado por um arranjo FV sem a utilização de baterias, a pressão aplicada na entrada (P) está sujeita à variação. Consequentemente, a vazão na entrada (Qf), a vazão de água permeada (Qp) e a concentração média do permeado (Cpmédio), também variam.

No processo de dessalinização por OR, três parâmetros são de essencial importância para a compreensão do fenômeno e que figuram nos modelos. São eles: coeficiente de permeabilidade da membrana (kper), coeficiente de permeabilidade do soluto (ks) e o fator de polarização (fp). Os dois coeficientes (kper e ks) medem a capacidade de um meio poroso, no caso da OR, a membrana semipermeável, em transmitir um material (fluido ou sólido). Já o fator de polarização está relacionado com o fenômeno de acumulação de cargas na superfície da membrana, que nada mais é do que o acúmulo de íons do soluto resultante das forças convectivas e difusivas presentes no processo.

O modelo desenvolvido baseia-se em duas equações de difusão de primeira ordem: uma equação que fornece como dado de saída Qp e outra equação que fornece como dado de saída Cpmédio. Utiliza como dados de entrada a P, Cf (a salinidade da água que entra no sistema) e Qf. Além de utilizar também nas equações os parâmetros de difusão (kper e ks) e fp. Este trabalho analisa as condições de operação de um sistema de osmose reversa instalado no Laboratório do Grupo FAE-UFPE, as previsões analíticas de modelos publicados na literatura e os intervalos de validade de parâmetros utilizados na formulação desses modelos.

Autores: Milton dos Santos Viana; Naum Fraidenraich e Olga de Castro Vilela.


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