PHD 5750 Tratamento avanado de guas de abastecimento
PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento Sistemas de separação por membranas na remoção de material particulado: Microfiltração e Ultrafiltração
Processos de separação por membranas n Utilização de membranas semipermeáveis para separação de contaminantes da água; n Possibilitam a separação dos seguintes contaminantes: n Sólidos em suspensão, inclusive colóides; n Bactérias e vírus; n Compostos orgânicos dissolvidos; n Substância inorgânicas dissolvidas. Prof. Mierzwa
Principais processos de separação por membranas n Microfiltração: n Utilizado para separação de sólidos em suspensão e bactérias. n Ultrafiltração: n Utilizado para separar sólidos em suspensão, bactérias, vírus e compostos orgânicos de elevado peso molecular. n Nanofiltração: n Remoção de compostos orgânicos de baixo peso molecular e íons bivalentes dissolvidos. n Osmose reversa: n Separação espécies de baixo peso molecular. Prof. Mierzwa
Capacidade dos processos de separação por membranas Prof. Mierzwa
Processos convencionais e sistemas de separação por membranas Constituinte a ser removido Sistema convencional Separação por membranas Turbidez, sólidos suspenso e contaminantes microbiológicos Coagulação, floculação, filtração e desinfecção Microfiltração Cor, odor e compostos orgânicos Carvão ativado, cloração e filtração e aeração Ultrafiltração Dureza, sulfatos, ferro e metais pesados Abrandamento com cal, Nanofiltração troca iônica, oxidação e filtração e coagulação floculação Sais dissolvidos Evaporação e troca iônica Prof. Mierzwa Osmose reversa
Características dos Processos de Separação por Membranas • MF – Pressão – 0, 3 a 1, 7 bar; – Diâmetro dos poros – 0, 1 a 3, 0 mm; • UF – Pressão – 0, 7 a 6, 9 bar; – Separação de substâncias com peso molecular de até 1000 g/mol (Daltons). Prof. Mierzwa
Características dos Processos de Separação por Membranas • NF – Pressão - > 3, 4 bar; – Separação de compostos com peso molecular variando de 250 a 1000 g/mol; – Também é eficiente para separação de sais, geralmente bivalentes; • OR – Possibilita a remoção da maioria dos compostos orgânicos e íons; – Pressão – 3, 4 a 69 bar; – Taxa de rejeição - > 99% Prof. Mierzwa
Materiais das membranas n As membranas podem ser orgânica ou inorgânicas; n Membranas poliméricas são mais amplamente utilizadas; n Membranas cerâmicas são restritas aos processos de microfiltração e ultrafiltração. Prof. Mierzwa
Polímeros utilizados na fabricação de membranas Polímero Membranas Policarbonato (PC) MF Fluoreto de Polivinilideno (PVDF) MF e UF Politetrafluoretileno (PTFE) MF Polipropileno (PP) MF Poliamida (PA) MF e UF Acetato de celulose (CA) MF e UF Polisulfona (PSf) MF e UF Poli-eterimida (Ultem) MF e UF Poli-etercetona (PEEK) MF e UF Poliacrilonitrila (PAN) UF Poli-imida UF Poli-etersulfona (PES) UF Prof. Mierzwa
Membranas inorgânicas n Materiais inorgânicos apresentam maior estabilidade química e térmica em comparação aos polímeros; n A utilização de membranas inorgânicas ainda é limitada, restringindo-se aos processos de MF e UF; n Podem ser obtidas a partir de quatro tipos de materiais: n Cerâmicos; n Metálicos; n Vítreos; n Zeolíticos. Prof. Mierzwa
Membranas hidrofílicas e hidrofóbicas n Em função do material polimérico utilizado as membranas podem ser: n Membranas hidrofílicas apresentam afinidade pela água; n Membranas hidrofóbicas não tem afinidade pela água. n Do ponto de vista de tratamento de água e efluentes aquosos é ideal que a membrana seja hidrofílica; n Esta característica resulta em um menor potencial para depósito de materiais sobre a superfície da membrana. Prof. Mierzwa
Representação do ângulo de contato utilizado para verificar o caráter das membranas Prof. Mierzwa
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Tipos de membranas n As membranas comumente utilizadas no tratamento de água e efluentes podem ser: n Tubulares; n Planas. n Membranas tubulares, em função do diâmetro, são classificadas em: n Fibra oca (f < 0, 5 mm) n Capilar (0, 5 < f < 5 mm) n Tubular (f > 5 mm). Prof. Mierzwa
Membranas poliméricas Prof. Mierzwa
Membranas cerâmicas Prof. Mierzwa
Tipos de módulos utilizados n Os módulos são projetados para atender a três objetivos: n Assegurar uma vazão de circulação do fluído a ser tratado para limitar o fenômeno de polarização de concentrações; n Ser uma estrutura compacta, fornecendo a máxima superfície por unidade de volume; n Evitar qualquer vazamento entre os compartimentos de alimentação e permeado. Prof. Mierzwa
Tipos de módulos utilizados (cont. ) n Os principais tipos de módulos existentes são: n Placas planas; n Tubulares; n Fibra oca; n Enrolados em espiral. Prof. Mierzwa
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Projeto dos Sistemas n A seleção de um projeto para uma aplicação específica não é uma tarefa difícil; n Ela é baseada na capacidade e limitações de cada processo: n Separação de sólidos suspensos (MF e UF); n Separação de compostos orgânicos com elevado peso molecular (UF e NF); n Separação de espécies dissolvidas (NF e OR). Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas (cont. ) n É necessário conhecer as características do produto a ser obtido e da alimentação; n Também devem estar disponíveis: n A vazão de água a ser produzida ou volume de efluente a ser tratado; n Recuperação de água no sistema; n Capacidade de produção das membranas. Prof. Mierzwa
Projetos de MF, UF, NF e OR n Valores típicos do fluxo de água através das membranas são: n Osmose reversa 15 a 25 L/h. m 2; n Nanofiltração 20 a 30 L/h. m 2; n Ultrafiltração 25 a 50 L/h. m 2; n Microfiltração não há uma regra. n No caso de sistemas de microfiltração os valores máximos situam-se na faixa de 50 a 70 L/h. m 2. Prof. Mierzwa
Componentes do sistema de separação por membranas n Subsistema de pré-tratamento: n Deve ser previsto para minimizar os problemas operacionais nas membranas. n Subsistema de membranas: n Irá promover a separação dos contaminantes da água. n Subsistema de pós-tratamento; n Subsistema de limpeza química: n Tem por finalidade recuperar a capacidade de produção das membranas. Prof. Mierzwa
Capacidade de produção em função da pressão Prof. Mierzwa
Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão NF e OR Prof. Mierzwa
Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão - MF e UF Prof. Mierzwa
Depósitos e outros efeitos de adsorção n As interações entre soluto-membrana e soluto-soluto podem resultar na: n Formação de depósitos; n Adsorção física do soluto sobre a membrana; n Precipitação química. n Estes processos podem afetar de forma negativa a capacidade de separação das membranas. Prof. Mierzwa
Formação de depósitos n A redução de fluxo de permeado através das membranas pode ser resultado: n Da formação de torta sobre a membrana; n Da ocorrência de depósitos adsorvidos; n Do entupimento dos poros. n Em muitos exemplos práticos a resistência causada pela camada de polarização de concentração parece ser pouco significativa. Prof. Mierzwa
Efeito da formação de torta em membranas de MF e UF Prof. Mierzwa
Depósito adsorvido n A adsorção de materiais orgânicos sobre a superfície das membranas é um parâmetro de controle do seu desempenho; n Substâncias húmicas e outros materiais que ocorrem naturalmente podem apresentar um grande efeito sobre a capacidade de produção; n Os efeitos sobre o fluxo de permeado é mais significativo do que os resultantes da ação de argilas e outros colóides inorgânicos; Prof. Mierzwa
Efeitos das substâncias orgânicas no fluxo de permeado Prof. Mierzwa
Depósito adsorvido (cont. ) n As características que determinam a propensão à formação de depósitos são: Afinidade pelo material da membrana; n Peso molecular; n Grupos funcionais presentes; n Conformação das moléculas. n Prof. Mierzwa
Métodos para aumentar o fluxo em sistemas de MF e UF Reduzir a Polarização de Concentração a concentração na superfície da membrana Reduzir a pressão Utilizar baixo fator de concentração Reduzir os sólidos na alimentação Promover a mistura perpendicular Prevenir concentração sobre a superfície da membrana Altos gradientes de velocidade Canais estreitos e curtos Prof. Mierzwa Aumentar a taxa de retro transporte Aumentar a temperatura
Formação de biofilme n É um problema crítico nos processos de separação por membranas; n Refere-se à formação de uma camada viscosa sobre a superfície da membrana, resultante do acúmulo de microrganismos; n É um processo resultante dos mecanismos de adesão e crescimento. Prof. Mierzwa
Formação de biofilme (cont. ) n Adesão: n Mecanismo responsável pela fixação dos microrganismos na superfície da membrana; n Crescimento: n Após a sua fixação os microrganismos se multiplicam utilizando os nutrientes que são transportados para superfície da membrana. Prof. Mierzwa
Formação de biofilme (cont. ) n Normalmente, a formação de biofilme é mais problemática que a ocorrência de depósitos coloidais ou a incrustação. n A razão para isto é que os microrganismos se multiplicam em progressão geométrica, podendo resultar em danos severos à membranas; n Mesmo para águas com baixa contagem de microrganismos a formação de biofilme é inevitável. Prof. Mierzwa
Processo de formação do biofilme Condicionamento da Membrana Aproximação e fixação Adesão Bactéria Crescimento Membrana Biofilme Estabelecido Prof. Mierzwa
Condições associadas ao biofilme n A presença de sólidos em suspensão em combinação com o biofilme pode resultar na formação de depósitos; n Isto irá conduzir à perda da eficiência do sistema; n O biofilme estabelecido serve como uma fonte de microrganismos para o sistema; n A contagem microbiana é um indicativo da sua existência. Prof. Mierzwa
Principais eventos na formação de biofilme Evento Tempo Descrição Filme orgânico Seg. ou min. Condicionamento da membrana Adesão física Seg. ou min. Fixação da bactéria pioneira Síntese de SPE Min. ou horas Processo de adesão químico e aumento da estabilidade estrutural. Proliferação Min. Ou horas Multiplicação celular utilizando nutrientes disponíveis. Aprisionamento de partículas Seg. ou min. Efeito secundário da ocorrência do biofilme. Adesão secundária Dias ou sem. Refere-se ao processo de aumento do biofilme. Desprendimento Dias ou sem. Perda de células e biomassa do biofilme. Prof. Mierzwa
Conseqüências para os processos de separação por membranas n Em qualquer situação a ocorrência de biofilme reduz o desempenho do sistema; n Os seus efeitos são mais pronunciados em sistemas de NF e OR; n A razão para isto é a pequena espessura e a fragilidade das membranas; Prof. Mierzwa
Direção do Fluxo Matriz de SPE = molécula de soluto Ação hidrodinâmica Membrana Suporte Aumento na passagem de soluto devido a polarização de concentração Aumento na passagem de soluto devido a degradação da membrana Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas n A seleção de um projeto para uma determinada aplicação não é uma tarefa difícil; n Ela é baseada na capacidade e limitação de cada processo: n Separação de sólidos suspensos; n Separação de compostos orgânicos com elevado peso molecular; n Separação de espécies dissolvidas. Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas (cont. ) n A capacidade de produção das membranas é uma informação vital para o desenvolvimento do projeto; n Esta informação deve ser obtida por meio de ensaios piloto, principalmente para sistemas de MF e UF, ou mediante consulta ao fornecedor das membranas; n Com base nestes dados é possível determinar o número de membranas a serem utilizadas, assim como o de vasos de pressão. Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas (cont. ) n Uma vez definido o número de membranas e módulos a serem utilizados deve-se fazer a especificação dos demais componentes, n Os vasos de pressão ou módulos de membranas não são os únicos componentes de um sistema de separação por membranas. Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas (cont. ) n Para que qualquer sistema possa operar de modo adequado são necessários: Válvulas de controle e bloqueio; n Instrumentos de medição: n n n n Pressão e pressão diferencial; Tensão e corrente elétrica; Temperatura; Vazão; p. H; Condutividade; Nível de tanques. Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas (cont. ) n Um componente essencial para o funcionamento do sistema são as bombas utilizadas: n Unidade de pré-tratamento; n Alimentação do sistema; n Limpeza e sanitização; n Dosagem de produtos químicos. n A escolha dos materiais a ser utilizados também é importante. Prof. Mierzwa
Equações básicas e arranjos de sistemas de separação por membranas n O dimensionamento de um sistema de separação por membrana requer o conhecimento dos seguintes parâmetros: n Vazão a ser tratada ou produzida; n Características da alimentação e do produto; n Capacidade de produção das membranas; n Taxa de rejeição de contaminantes; n Taxa de recuperação de água ou fator de concentração. Prof. Mierzwa
Desenvolvimento das equações n As informações relativas à capacidade das membranas são obtidas com os fornecedores ou por meio de ensaios piloto; n Os dados sobre a capacidade do sistema são os parâmetros de projeto definidos para cada situação; n A partir da escolha do arranjo a ser utilizado são desenvolvidas as relações necessárias para a definição das condições de operação. Prof. Mierzwa
Desenvolvimento das equações (cont. ) n Com base nas condições de operação do sistema é possível obter as características dos principais componentes: n Área de membrana; n Número de módulos; n Número de vasos de pressão; n Vazão da bomba de alimentação. Prof. Mierzwa
Equações básicas n Área de membrana: n AM = QP/q. M n QP = vazão de permeado ou purificado (L 3. T-1) n q. M = taxa de produção da membrana (L 3. L-2. T-1) n Número de módulos: n NM = AM/a. M n a. M = área de membrana por módulo (L 2) n Número de vasos (espiral): n NV = NM/n n n = número de módulos por vaso. Prof. Mierzwa
Equações básicas (cont. ) n Taxa de recuperação de água: n Y = Q P / QA n QP = vazão de permeado (L 3. T-1) n QA = vazão de alimentação (L 3. T-1) n Passagem de contaminantes: n PC = C P / C A n CP = concentração no permeado (M. L-3) n CA = concentração na alimentação (M. L-3) Prof. Mierzwa
Equações básicas (cont. ) n Taxa de rejeição de contaminantes: n RC = 1 – P C n Fator de concentração de contaminantes (FC): n FC = CR / CA n n n CR = concentração do contaminante no concentrado (M. L-3) CA = concentração do contaminantes na alimentação (M. L-3) FC = (1 – Y. PC) / (1 -Y) Prof. Mierzwa
Taxa de Recuperação de Água para Módulos em Série QA %R / 100 QPT R 1 = QA. (1 -%R/100) %R / 100 R 2 = QA. (1 -%R/100) Rn = QA. (1 -%R/100) Prof. Mierzwa
Taxa Global de Recuperação de Água n QPT = QA – QRn n QPT = QA. (1 -(1 -%R/100)n) n QPT/QA = Recuperação n Recuperação = 1 – (1 -%R/100)n Prof. Mierzwa
Diagrama básico para balanço de massa Y; RC QA; CA QP; CP QR ; C R Prof. Mierzwa
Relações obtidas pelo balanço de massa n Vazões (densidade constante): v QA = (entrada) QP + QR (saída) n Para os contaminantes: v QA. CA = QP. CP + QR. CR (entrada) (saída) Prof. Mierzwa
Relações derivadas – equações básicas e balanço de massa n Fator de redução de volume: n FRV = QA / QR QR = QA – QP (1) QP = Y. QA (2) n (2) em (1) QR = QA – Y. QA QR = QA. (1 -Y) FRV = QA / [QA. (1 -Y)] n FRV = 1 / (1 -Y) n Prof. Mierzwa
Balanço de massa para sistemas com recirculação YG YM Q’a; C’a Qa; Ca Qp; Cp Qc; Cc Qr; Cc Qd; Cc Prof. Mierzwa
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Balanço de massa para sistemas com desvio Qb; Ca Y Q’a; Ca Qp; Cp Qc; Cc Prof. Mierzwa Qf; Cf
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Balanço de massa para sistemas de múltiplos estágios Prof. Mierzwa
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Sistemas com contralavagem n Geralmente sistemas com membranas capilares exigem operações de contralavagem; n Membranas em espiral de nova geração também possibilitam a contralavagem; n A contralavagem tem por finalidade: n Remover da superfície da membrana os materiais depositados. n Sistemas de micro e ultrafiltração. Prof. Mierzwa
-0. 5 to -10 psi suction pressure Centrifugal Pump Backflush Tank Fill Permeate Feed Permeate Backflush Flow Immersed membrane Basin Concentrate Flow Air injection Prof. Mierzwa
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