Fichamento - Operações Unitárias - Gabriela Carvalho Silva

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA 
BAHIA – IFBA 
CAMPUS VITÓRIA DA CONQUISTA 
ENGENHARIA AMBIENTAL 
GABRIELA CARVALHO SILVA 
 
 
 
 
 
 
 
 
FICHAMENTO DOS ASSUNTOS: ADSORÇÃO E FILTRAÇÃO EM 
MEMBRANAS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16/05/2022 
VITÓRIA DA CONQUISTA – BA 
 
GABRIELA CARVALHO SILVA 
 
 
 
 
 
 
FICHAMENTO DOS ASSUNTOS: ADSORÇÃO E FILTRAÇÃO EM 
MEMBRANAS. 
 
 
 
 
Fichamento que deverá ser 
utilizado como método de 
avaliação na matéria de 
Operações Unitárias ministrada 
pela professora Me. Aline 
Magalhães. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16/05/2022 
VITÓRIA DA CONQUISTA – BA 
Adsorção 
 
 A adsorção é um fenômeno físico-químico onde o componente em uma fase 
gasosa ou líquida é transferido para a superfície de uma fase sólida. Os 
componentes que se unem à superfície são chamados adsorvatos, enquanto que a 
fase sólida que retém o adsorvato é chamada adsorvente. A remoção das 
moléculas a partir da superfície é chamada dessorção. 
 
 Como o adsorvato concentra-se na superfície do adsorvente, quanto maior for esta 
superfície, maior será a eficiência da adsorção. Por isso geralmente os adsorventes 
são sólidos com partículas porosas (BORBA, 2006). Os compostos permanecem 
adsorvidos na superfície do adsorvente pela ação de diversos tipos de forças 
químicas como: ligações de hidrogênio, interações Dipolo-Dipolo, forças de 
London ou Van der Waals. 
 
 Existem basicamente dois tipos de adsorção: a adsorção física ou fisiosorção e a 
adsorção química ou quimiosorção. No entanto, em certas ocasiões os dois tipos 
podem ocorrer simultaneamente (CHEREMISINOFF e ELLERBUSCH, 1978). 
A adsorção física ocorre por uma diferença de energia e/ou forças de atração, 
chamadas forças de Van der Waals, que tornam as moléculas fisicamente presas 
ao carvão. Estas interações têm um longo alcance, porém são fracas. A fisiosorção 
corresponde a uma interação de natureza puramente eletrostática entre a partícula 
e os átomos superficiais do sólido. Origina-se pela atração entre dipolos 
permanentes ou induzidos, sem alteração dos orbitais atômicos ou moleculares 
das espécies comprometidas. Recebe também o nome de adsorção de Van der 
Waals (DROGUETT, 1983). 
 
Propriedades do carvão ativado 
 
 O carvão ativado é utilizado como adsorvente, catalisador ou suporte de 
catalisador. Na área de tratamento de efluentes é usado na adsorção em fase 
líquida, por exemplo, na adsorção de moléculas orgânicas que causam sabor, odor 
e toxicidade (LETTERMAN, 1999). Os carvões ativados são materiais 
carbonosos porosos que apresentam uma forma microcristalina, não grafítica, que 
sofreram um processamento para aumentar a porosidade interna. Uma vez ativado 
o carvão apresenta uma porosidade interna comparável a uma rede de túneis que 
se bifurcam em canais menores e assim sucessivamente. Esta porosidade 
diferenciada é classificada segundo o tamanho em macro, meso e 
microporosidades. 
 
 A princípio, qualquer material com alto teor de carbono, denominado de agente 
precursor (A.P) pode ser transformado em C.A, por exemplo, cascas de coco, 
carvões minerais (antracita, betuminosos, linhito), turfas, madeiras, resíduos de 
petróleos. Atualmente são utilizados como agentes precursores, os caroços e 
cascas de oliva, cereja, damasco, pêssego, azeitonas e ossos de animais. 
 
 Os carvões ativados podem ser preparados, ou manufaturados por uma variedade 
de métodos. Estes poderiam ou não envolver ácidos sintéticos, bases e outras 
substâncias num fluxo de gases ativantes tais como vapor (H2O), nitrogênio (N2) 
ou dióxido de carbono (CO2). 
 
 O carvão ativado pode ser adquirido em pó ou granulado. Com o uso do carvão 
em pó (CAP) é necessário preparar adequadamente uma suspensão, que é 
adicionada, geralmente, na água bruta ou pré-oxidada, enquanto no uso do carvão 
ativado granular (CAG), têm-se colunas (filtros), após a filtração em ETAs 
(Estação de Tratamento de Afluentes) que tratam água superficial. 
 
 A interação adsorvato/adsorvente na adsorção física é uma função da polaridade 
da superfície do sólido e da adsortividade. O caráter não polar da superfície no 
carvão ativado é fator preponderante na adsorção de moléculas não polares por 
um mecanismo não específico, podendo ser incrementada pela adequada 
modificação da natureza química da superfície do carvão. 
 
Equilíbrios de Adsorção e Isotermas de Adsorção 
 Uma das características mais importantes de um adsorvente é a quantidade de 
substância que possa acumular ou possa ser retirada da superfície do mesmo. Uma 
maneira comum de descrever essa acumulação é expressar quantidade de 
substância adsorvida por quantidade de adsorvente (qe) em função da 
concentração de adsorvato (Ce) em solução. Uma expressão desse tipo é 
denominada de isoterma de adsorção (LETTERMAN, 1999.; OSCIK e COOPER 
1982 ). 
 
 O procedimento experimental para avaliar quantitativamente a adsorção através 
das isotermas é bastante simples: basta colocar em contato com a solução 
contendo o componente a ser adsorvido, com diferentes massas de adsorvente até 
atingir o equilíbrio. Após a filtração, pode-se obter a concentração de equilíbrio 
em solução (Ce em mg/L) e a quantidade de material adsorvido (q em mg/g). 
 
Cinética de Adsorção 
 
 A cinética do processo de adsorção depende da velocidade (ou taxa) relativa entre 
as seguintes quatro etapas sucessivas. A cinética da adsorção é importante já que 
controla a eficiência do processo. Segundo Gupta (2006), existem diferentes 
modelos nos quais se pode ajustar a dados do processo de adsorção com relação 
ao tempo. Entre os principais e mais usados temos modelo de pseudo-primeira 
ordem e de pseudo segunda ordem. 
 
Filtração em Membranas 
 A filtração em membranas, surgiu no contexto como única etapa de tratamento 
ou, no contexto de múltipla barreiras, implantada em conjunto com outras 
unidades responsáveis pela clarificação e/ou filtração das águas naturais. O tipo 
de unidade de filtração em membrana - micro, ultra ou nano filtração e osmose 
reversa vincula-se ao tamanho dos poros ou, em outras palavras, a sua função 
principal na adequação da água natural ao padrão de potabilidade. Como 
consequência, as características do afluente e a porosidade seja da membrana hão 
de governar a magnitude da pressão aplicada, também denominada pressão de 
filtração ou pressão de alimentação. Esta cresce à medida que a porosidade da 
membrana diminui, podendo superar 3500 kPa em sistemas de osmose reversa. 
 
 De certa forma, o funcionamento dos filtros de membranas envolve três distintos 
escoamentos (ou fluxos): a vazão afluente (ou de alimentação), o efluente, que se 
denomina permeado, e a vazão de descarte contendo o material retido na 
membrana com a denominação de concentrado. Na significativa maioria das 
instalações o permeado é posteriormente submetido à desinfecção e, 
eventualmente, fluoretação e correção de pH. A medida que se sucede a retenção 
de material na superfície da membrana - fenômeno denominado foulingm similar 
à colmatação dos meios filtrantes tradicionais faz-se necessária a limpeza da 
membrana. 
 
 Em diversas aplicações no tratamento das águas naturais, a filtração em membrana 
realiza-se praticamente como única etapa de tratamento sem aplicação de 
coagulantes, reduzindo significativamente a geração de lodo. Vale ainda ressaltar 
que o emprego da filtração em membrana não pressupõe diferença entre as 
densidades entre os sais e partículas removidos e a água, distintamente das etapas 
de clarificação e de alguns dos mencionados mecanismos de filtração. 
 
Aplicação e tipos de membranas 
 
 Uma membrana sintética pode ser definida como filme fino sólido 
semipermeável, que separa duas soluções e que atua como barreira seletiva para 
o transporte de componentes destas soluções, quando aplicado algumtipo de força 
externa. As forças externas, que impulsionam a filtração através das membranas 
utilizadas em tratamento de água de consumo, são pressão e sucção (pressão 
negativa). Ressalta-se que na purificação de água para hemodiálise a força-motriz 
do processo de separação é a corrente elétrica. 
 
 A produtividade do sistema depende do escoamento de água através da membrana 
que, por sua vez, é condicionada por uma série de fatores que, coletivamente, 
constituem a resistência da membrana à filtração, tais como: porosidade e 
espessura da membrana pressão de filtração governada pela porosidade e pelo 
objetivo - em termos dos parâmetros a remover - do emprego da tecnologia; 
características físicas, químicas e biológicas do afluente; viscosidade dinâmica da 
água; camada de material retido na superfície da membrana. 
 
 As membranas mais utilizadas podem ser classificadas: membranas de 
microfiltração com poros de diâmetro nominal entre 0,1 e 10 pm, aptas a remover 
cistos e oocistos de protozoários, bactérias, algas, cianobactérias, zooplâncton e 
óxidos de ferro e manganês; membranas de ultrafiltração adequadas à separação 
de partículas de dimensões entre 0,001 e 0,02 pm e a remover substâncias de peso 
molecular entre 1000 e 2000 g/mol, incluindo coloides, compostos orgânicos 
solúveis e víms; membranas de nanofiltração passíveis de remover substâncias de 
peso molecular entre 200 e 1000 g/mol, diversos compostos químicos e íons 
(incluindo Ca+2 e Mg+2 responsáveis pela dureza); membranas de osmose 
reversa capazes de remover íons, sais dissolvidos e praticamente toda matéria 
orgânica, com peso molecular de corte inferior a 200 g/mol. 
 
Custos dos sistemas de filtração em membrana 
 
 Os custos de implantação do sistema de filtração em membranas vinculam-se à 
própria configuração do sistema, às unidades de pré-tratamento existentes-estas 
dependentes das características do afluente -, às limitações do local, à estrutura 
que vai abrigar o sistema de filtração e ao custo das próprias membranas. 
 
 Podem ser listados os critérios mais importantes para a redução do custo de 
operação e implantação de sistemas de micro ou ultrafiltração em membrana para 
unidades de grande porte (Côté; Simon; Mourato, 2001): utilizar membranas de 
fibras ocas de diâmetro mínimo para maximizar a área de filtração por volume 
unitário de polímero e de módulo, por meio dos quais o escoamento dá-se de fora 
para dentro, visando a maximizar a área de filtração exposta ao afluente; 
maximizar o comprimento das fibras para minimizar o consumo de resina de 
fixação das fibras, limitando a perda de carga no interior da fibra à fração muito 
pequena da pressão através da membrana; maximizar tamanho do bloco de 
membranas objetivando reduzir ao mínimo os pontos de conexão com 
equipamentos auxiliares e maximizar a densidade de empacotamento de módulos 
para reduzir a área ocupada por bloco; operar o sistema sem recirculação da água 
bruta e sem aeração para reduzir o consumo de energia; limitar a pressão de 
operação e a frequência de limpeza química objetivando reduzir consumo de 
energia e de produtos químicos e para prolongar ao máximo a vida útil das 
membranas. 
 
 A comparação entre os custos dos sistemas de filtração em membranas e a 
tecnologia convencional de potabilização pauta-se essencialmente nas 
características da água bruta. Para o tratamento de águas oriundas de mananciais 
eutrofizados, que usualmente hão de requerer aplicação de carvão ativado em pó, 
a comparação entre estas tecnologias tenderá a tomar a filtração em membrana 
mais competitiva, em especial para sistemas de abastecimento de grande porte. 
 
Eficiência da tecnologia de filtração em membranas. 
 Unidades de micro e ultrafiltração em membrana foram avaliadas no tratamento 
de águas das nascentes cársticas. Os estudos foram realizados em escala-piloto 
por um período de 15 e 12 meses, respectivamente, para a remoção de material 
particulado e alguns compostos orgânicos específicos (Atrazina, tricloroetano, 
tetracloroetano). Verificou-se bom desempenho para baixos valores de turbidez 
no afluente à membrana (0,1 - 4,6 uT). Para possibilitar a remoção de matéria 
orgânica natural e outros contaminantes orgânicos, realizou-se dosagem de carvão 
ativado em pó, obtendo-se resultados satisfatórios, tanto em termos de quantidade 
da água produzida, como de qualidade (Pianta et al., 1998). 
 
 No Brasil, estudo avaliou o emprego da ultrafiltração em membrana, operando à 
pressão de 450 kPa e taxa de escoamento da ordem de 28 L/h.m2, no tratamento 
da água da Represa do Guarapiranga (São Paulo). Os resultados do 
monitoramento por período da ordem de 6300 h apontou remoção significativa de 
matéria orgânica, da ordem de 80 %, de turbidez e cor aparente - ambos em tomo 
de 93 % de 4 log para algas e de 100 % para coliformes totais e E. coli. 
 
 
 
 Referências bibliográficas. 
LIBÂNIO, Marcelo. Fundamentos de qualidade e tratamento de água. 3ª edição, 
editora Átomo. p. 411-420. 
ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO E OUTROS MATERIAIS. Apostila, p. 34-
52.