PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento

Apresentação em tema: "PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento"— Transcrição da apresentação:

1 PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento
Sistemas de separação por membranas na remoção de material particulado: Microfiltração e Ultrafiltração

2 Processos de separação por membranas
Utilização de membranas semipermeáveis para separação de contaminantes da água; Possibilitam a separação dos seguintes contaminantes: Sólidos em suspensão, inclusive colóides; Bactérias e vírus; Compostos orgânicos dissolvidos; Substância inorgânicas dissolvidas. Prof. Mierzwa

3 Principais processos de separação por membranas
Microfiltração: Utilizado para separação de sólidos em suspensão e bactérias. Ultrafiltração: Utilizado para separar sólidos em suspensão, bactérias, vírus e compostos orgânicos de elevado peso molecular. Nanofiltração: Remoção de compostos orgânicos de baixo peso molecular e íons bivalentes dissolvidos. Osmose reversa: Separação espécies de baixo peso molecular. Prof. Mierzwa

4 Capacidade dos processos de separação por membranas
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5 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, troca iônica, oxidação e filtração e coagulação floculação Nanofiltração Sais dissolvidos Evaporação e troca iônica Osmose reversa Prof. Mierzwa

6 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

7 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

8 Materiais das membranas
As membranas podem ser orgânica ou inorgânicas; Membranas poliméricas são mais amplamente utilizadas; Membranas cerâmicas são restritas aos processos de microfiltração e ultrafiltração. Prof. Mierzwa

9 Polímeros utilizados na fabricação de membranas
Policarbonato (PC) MF Fluoreto de Polivinilideno (PVDF) MF e UF Politetrafluoretileno (PTFE) Polipropileno (PP) Poliamida (PA) Acetato de celulose (CA) Polisulfona (PSf) Poli-eterimida (Ultem) Poli-eter-etercetona (PEEK) Poliacrilonitrila (PAN) UF Poli-imida Poli-etersulfona (PES) Prof. Mierzwa

10 Membranas inorgânicas
Materiais inorgânicos apresentam maior estabilidade química e térmica em comparação aos polímeros; A utilização de membranas inorgânicas ainda é limitada, restringindo-se aos processos de MF e UF; Podem ser obtidas a partir de quatro tipos de materiais: Cerâmicos; Metálicos; Vítreos; Zeolíticos. Prof. Mierzwa

11 Membranas hidrofílicas e hidrofóbicas
Em função do material polimérico utilizado as membranas podem ser: Membranas hidrofílicas  apresentam afinidade pela água; Membranas hidrofóbicas  não tem afinidade pela água. Do ponto de vista de tratamento de água e efluentes aquosos é ideal que a membrana seja hidrofílica; Esta característica resulta em um menor potencial para depósito de materiais sobre a superfície da membrana. Prof. Mierzwa

12 Representação do ângulo de contato utilizado para verificar o caráter das membranas
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14 Tipos de membranas As membranas comumente utilizadas no tratamento de água e efluentes podem ser: Tubulares; Planas. Membranas tubulares, em função do diâmetro, são classificadas em: Fibra oca (f < 0,5 mm) Capilar (0,5 < f < 5 mm) Tubular (f > 5 mm). Prof. Mierzwa

15 Membranas poliméricas
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16 Membranas cerâmicas Prof. Mierzwa

17 Tipos de módulos utilizados
Os módulos são projetados para atender a três objetivos: Assegurar uma vazão de circulação do fluído a ser tratado para limitar o fenômeno de polarização de concentrações; Ser uma estrutura compacta, fornecendo a máxima superfície por unidade de volume; Evitar qualquer vazamento entre os compartimentos de alimentação e permeado. Prof. Mierzwa

18 Tipos de módulos utilizados (cont.)
Os principais tipos de módulos existentes são: Placas planas; Tubulares; Fibra oca; Enrolados em espiral. Prof. Mierzwa

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20 Projeto dos Sistemas A seleção de um projeto para uma aplicação específica não é uma tarefa difícil; Ela é baseada na capacidade e limitações de cada processo: Separação de sólidos suspensos (MF e UF); Separação de compostos orgânicos com elevado peso molecular (UF e NF); Separação de espécies dissolvidas (NF e OR). Prof. Mierzwa

21 Projeto dos Sistemas (cont.)
É necessário conhecer as características do produto a ser obtido e da alimentação; Também devem estar disponíveis: A vazão de água a ser produzida ou volume de efluente a ser tratado; Recuperação de água no sistema; Capacidade de produção das membranas. Prof. Mierzwa

22 Projetos de MF, UF, NF e OR Valores típicos do fluxo de água através das membranas são: Osmose reversa  15 a 25 L/h.m2; Nanofiltração  20 a 30 L/h.m2; Ultrafiltração  25 a 50 L/h.m2; Microfiltração  não há uma regra. No caso de sistemas de microfiltração os valores máximos situam-se na faixa de 50 a 70 L/h.m2. Prof. Mierzwa

23 Componentes do sistema de separação por membranas
Subsistema de pré-tratamento: Deve ser previsto para minimizar os problemas operacionais nas membranas. Subsistema de membranas: Irá promover a separação dos contaminantes da água. Subsistema de pós-tratamento; Subsistema de limpeza química: Tem por finalidade recuperar a capacidade de produção das membranas. Prof. Mierzwa

24 Capacidade de produção em função da pressão
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25 Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão NF e OR
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26 Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão - MF e UF
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27 Depósitos e outros efeitos de adsorção
As interações entre soluto-membrana e soluto-soluto podem resultar na: Formação de depósitos; Adsorção física do soluto sobre a membrana; Precipitação química. Estes processos podem afetar de forma negativa a capacidade de separação das membranas. Prof. Mierzwa

28 Formação de depósitos A redução de fluxo de permeado através das membranas pode ser resultado: Da formação de torta sobre a membrana; Da ocorrência de depósitos adsorvidos; Do entupimento dos poros. Em muitos exemplos práticos a resistência causada pela camada de polarização de concentração parece ser pouco significativa. Prof. Mierzwa

29 Efeito da formação de torta em membranas de MF e UF
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30 Depósito adsorvido A adsorção de materiais orgânicos sobre a superfície das membranas é um parâmetro de controle do seu desempenho; Substâncias húmicas e outros materiais que ocorrem naturalmente podem apresentar um grande efeito sobre a capacidade de produção; Os efeitos sobre o fluxo de permeado é mais significativo do que os resultantes da ação de argilas e outros colóides inorgânicos; Prof. Mierzwa

31 Efeitos das substâncias orgânicas no fluxo de permeado
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32 Depósito adsorvido (cont.)
As características que determinam a propensão à formação de depósitos são: Afinidade pelo material da membrana; Peso molecular; Grupos funcionais presentes; Conformação das moléculas. Prof. Mierzwa

33 Métodos para aumentar o fluxo em sistemas de MF e UF
Reduzir a Polarização de Concentração Reduzir a pressão Reduzir a concentração na superfície da membrana Reduzir os sólidos na alimentação Utilizar baixo fator de concentração Promover a mistura perpendicular Prevenir concentração sobre a superfície da membrana Aumentar a taxa de retro transporte Aumentar a temperatura Canais estreitos e curtos Altos gradientes de velocidade Prof. Mierzwa

34 Formação de biofilme É um problema crítico nos processos de separação por membranas; Refere-se à formação de uma camada viscosa sobre a superfície da membrana, resultante do acúmulo de microrganismos; É um processo resultante dos mecanismos de adesão e crescimento. Prof. Mierzwa

35 Formação de biofilme (cont.)
Adesão: Mecanismo responsável pela fixação dos microrganismos na superfície da membrana; Crescimento: Após a sua fixação os microrganismos se multiplicam utilizando os nutrientes que são transportados para superfície da membrana. Prof. Mierzwa

36 Formação de biofilme (cont.)
Normalmente, a formação de biofilme é mais problemática que a ocorrência de depósitos coloidais ou a incrustação. A razão para isto é que os microrganismos se multiplicam em progressão geométrica, podendo resultar em danos severos à membranas; Mesmo para águas com baixa contagem de microrganismos a formação de biofilme é inevitável. Prof. Mierzwa

37 Processo de formação do biofilme Membrana Biofilme Estabelecido
Condicionamento da Membrana Aproximação e fixação Adesão Crescimento Bactéria Membrana Biofilme Estabelecido Prof. Mierzwa

38 Condições associadas ao biofilme
A presença de sólidos em suspensão em combinação com o biofilme pode resultar na formação de depósitos; Isto irá conduzir à perda da eficiência do sistema; O biofilme estabelecido serve como uma fonte de microrganismos para o sistema; A contagem microbiana é um indicativo da sua existência. Prof. Mierzwa

39 Principais eventos na formação de biofilme
Tempo Descrição Filme orgânico Seg. ou min. Condicionamento da membrana Adesão física 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 Efeito secundário da ocorrência do biofilme. Adesão secundária Dias ou sem. Refere-se ao processo de aumento do biofilme . Desprendimento Perda de células e biomassa do biofilme. Prof. Mierzwa

40 Conseqüências para os processos de separação por membranas
Em qualquer situação a ocorrência de biofilme reduz o desempenho do sistema; Os seus efeitos são mais pronunciados em sistemas de NF e OR; A razão para isto é a pequena espessura e a fragilidade das membranas; Prof. Mierzwa

41 Direção do Fluxo = molécula de soluto
Membrana Suporte = molécula de soluto Aumento na passagem de soluto devido a polarização de concentração Aumento na passagem de soluto devido a degradação da membrana Matriz de SPE Ação hidrodinâmica Direção do Fluxo Prof. Mierzwa

42 Projeto dos Sistemas A seleção de um projeto para uma determinada aplicação não é uma tarefa difícil; Ela é baseada na capacidade e limitação de cada processo: Separação de sólidos suspensos; Separação de compostos orgânicos com elevado peso molecular; Separação de espécies dissolvidas. Prof. Mierzwa

43 Projeto dos Sistemas (cont.)
A capacidade de produção das membranas é uma informação vital para o desenvolvimento do projeto; Esta informação deve ser obtida por meio de ensaios piloto, principalmente para sistemas de MF e UF, ou mediante consulta ao fornecedor das membranas; Com base nestes dados é possível determinar o número de membranas a serem utilizadas, assim como o de vasos de pressão. Prof. Mierzwa

44 Projeto dos Sistemas (cont.)
Uma vez definido o número de membranas e módulos a serem utilizados deve-se fazer a especificação dos demais componentes, Os vasos de pressão ou módulos de membranas e membranas não são os únicos componentes de um sistema de separação por membranas. Prof. Mierzwa

45 Projeto dos Sistemas (cont.)
Para que qualquer sistema possa operar de modo adequado são necessários: Válvulas de controle e bloqueio; Instrumentos de medição: Pressão e pressão diferencial; Tensão e corrente elétrica; Temperatura; Vazão; pH; Condutividade; Nível de tanques. Prof. Mierzwa

46 Projeto dos Sistemas (cont.)
Um componente essencial para o funcionamento do sistema são as bombas utilizadas: Unidade de pré-tratamento; Alimentação do sistema; Limpeza e sanitização; Dosagem de produtos químicos. A escolha dos materiais a ser utilizados também é importante. Prof. Mierzwa

47 Equações básicas e arranjos de sistemas de separação por membranas
O dimensionamento de um sistema de separação por membrana requer o conhecimento dos seguintes parâmetros: Vazão a ser tratada ou produzida; Características da alimentação e do produto; Capacidade de produção das membranas; Taxa de rejeição de contaminantes; Taxa de recuperação de água ou fator de concentração. Prof. Mierzwa

48 Desenvolvimento das equações
As informações relativas à capacidade das membranas são obtidas com os fornecedores ou por meio de ensaios piloto; Os dados sobre a capacidade do sistema são os parâmetros de projeto definidos para cada situação; A partir da escolha do arranjo a ser utilizado são desenvolvidas as relações necessárias para a definição das condições de operação. Prof. Mierzwa

49 Desenvolvimento das equações (cont.)
Com base nas condições de operação do sistema é possível obter as características dos principais componentes: Área de membrana; Número de módulos; Número de vasos de pressão; Vazão da bomba de alimentação. Prof. Mierzwa

50 Equações básicas Área de membrana: Número de módulos:
AM = QP/qM QP = vazão de permeado ou purificado (L3.T-1) qM = taxa de produção da membrana (L3.L-2.T-1) Número de módulos: NM = AM/aM aM = área de membrana por módulo (L2) Número de vasos (espiral): NV = NM/n n = número de módulos por vaso. Prof. Mierzwa

51 Equações básicas (cont.)
Taxa de recuperação de água: Y = QP / QA QP = vazão de permeado (L3.T-1) QA = vazão de alimentação (L3.T-1) Passagem de contaminantes: PC = CP / CA CP = concentração no permeado (M.L-3) CA = concentração na alimentação (M.L-3) Prof. Mierzwa

52 Equações básicas (cont.)
Taxa de rejeição de contaminantes: RC = 1 – PC Fator de concentração de contaminantes (FC): FC = CR / CA 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

53 Taxa de Recuperação de Água para Módulos em Série
QA R1 = QA.(1-%R/100) R2 = QA.(1-%R/100).(1-%R/100) Rn = QA.(1-%R/100).(1-%R/100).(1-%R/100) QPT Prof. Mierzwa

54 Taxa Global de Recuperação de Água
QPT = QA – QRn QPT = QA.(1-(1-%R/100)n) QPT/QA = Recuperação Recuperação = 1 – (1-%R/100)n Prof. Mierzwa

55 Diagrama básico para balanço de massa
QA; CA QP; CP QR; CR Y; RC Prof. Mierzwa

56 Relações obtidas pelo balanço de massa
Vazões (densidade constante): QA = QP + QR (entrada) (saída) Para os contaminantes: QA.CA = QP.CP QR.CR Prof. Mierzwa

57 Relações derivadas – equações básicas e balanço de massa
Fator de redução de volume: FRV = QA / QR QR = QA – QP (1) QP = Y.QA (2) (2) em (1) QR = QA – Y.QA  QR = QA.(1-Y) FRV = QA / [QA.(1-Y)] FRV = 1 / (1-Y) Prof. Mierzwa

58 Balanço de massa para sistemas com recirculação
Qa; Ca Qp; Cp Qc; Cc YM Qd; Cc Qr; Cc Q’a; C’a YG Prof. Mierzwa

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60 Balanço de massa para sistemas com desvio
Qa; Ca Qp; Cp Qc; Cc Y Qf; Cf Q’a; Ca Qb; Ca Prof. Mierzwa

61 Prof. Mierzwa

62 Balanço de massa para sistemas de múltiplos estágios
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63 Prof. Mierzwa

64 Sistemas com contralavagem
Geralmente sistemas com membranas capilares exigem operações de contralavagem; Membranas em espiral de nova geração também possibilitam a contralavagem; A contralavagem tem por finalidade: Remover da superfície da membrana os materiais depositados. Sistemas de micro e ultrafiltração. Prof. Mierzwa

65 Air injection Immersed membrane Basin
-0.5 to -10 psi suction pressure Permeate Centrifugal Pump Backflush Tank Fill Feed Air injection Immersed membrane Concentrate Flow Basin Backflush Flow Prof. Mierzwa