Aula 02_Classificação dos processos de membranas

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Classificação dos processos 
de membranas
Profa. Rachel Costa
rachel.costa@usp.br
Prof. José Carlos Mierzwa
mierzwa@usp.br
Pressão osmótica
Solução
X1 < 1
m1
Água
X1 = 1
m1
0
Pressão osmótica
𝜋 = −∅𝜗
𝑛
𝑉
𝑅𝑇 onde
𝜋 - pressão osmótica
∅ - coeficiente osmótico, depende da natureza da substância
𝜗 – número de íons formados de uma molécula do soluto
n – número de mols de soluto
T – temperatura absoluta
R – coeficiente universal dos gases
V = volume do solvente
Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
𝜋 = −∅𝜗
𝑛
𝑉
𝑅𝑇 𝐽 = 𝐴∆𝑃 = 𝐴(𝑃𝑇 − 𝜋)
Fluxo através da membrana segue 
Lei de Darcy
Esse fundamento vale para todos os processos de membrana que utilizam pressão 
hidráulica (microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose reversa)
Composto Peso molecular Número de ions Pressão osmótica 
(psi)
NaCl 58,50 2 125
Lactose 342 1 10
Caseína 25.000 1 0,28
Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
• Devido à pressão aplicada, o solvente e várias moléculas de soluto atravessam a 
membrana, enquanto outras partículas são retidas, a depender da estrutura da 
membrana
Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
Mulder, 2003
Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
Mulder, 2003
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• É o processo que mais se parece com a filtração convencional (efeito de 
“peneiramento”)
• O tamanho dos poros varia entre 0,05 e 3 μm, ou seja o proceso é 
adequado para reter material suspenso
• Os sistemas de microfiltração operam com pressões variando de 0,3 e 1,7 
bar
As principais aplicações incluem:
• Clarificação de bebidas;
• Tratamento de água;
• Tratamento de efluentes industriais e domésticos;
• Tratamento de emulsões de óleo e água;
• Processos de concentração e separação na indústria de alimentos.
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Características de uma Membrana de MF
(DS-E-500 GE Water)
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• O tamanho dos poros varia entre 0,001 e 0,05 μm
• Os sistemas de microfiltração operam com pressões variando de 0,7 e 6,9 bar
• É tipicamente usado para reter macromoléculas e coloides da solução, sendo 
possível separar macromoléculas com massa molar proxima de 1000 g/mol
• A rejeição pela membrana é determinada pelo tamanho e forma dos 
contaminantes em relação ao diâmetro dos poros
As principais aplicações incluem:
• Indústria de laticínios (tratamento do soro do leite);
• Indústria de alimentos (separação de amido e proteínas);
• Indústria mecânica e metalúrgica (tratamento de emulsões de óleo e 
água e efluentes);
• Tratamento de água
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Resultado do tratamento de uma emulsão de óleo 
solúvel por ultrafiltração
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Amostras de concentrado, água bruta e permeado – Ensaio de Tratamento 
de Água do Reservatório Guarapiranga
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Características de uma Membrana de UF 
(HydraCap60- LD)
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• É um processo de transição entre a ultrafiltração e osmose reversa;
• O diâmetro dos poros da membrana é da ordem de 0,001 mm;
• A pressão de operação nos sistemas de NF varia de 5 a 35 bar;
• É possível separar moléculas com massa molar de até 200 g/mol e íons 
bivalentes, como cálcio e magnésio;
• No mecanismos de separação não existe apenas o efeito de tamanho de poros, 
estão também envolvidos os mecanismos de solubilidade e difusão
As principais aplicações incluem:
• Operações de abrandamento
• Tratamento de água
• Operações industriais para concentração de sucos de frutas, açúcares e 
leite
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Características de uma Membrana de NF (Filmtec)
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• As membranas de osmose apresentam poros com diâmetro menor que 0,001 
μm;
• A pressão vaia entre 3,4 e 80 bar
• É possível separar contaminantes com baixa massa molecular, iônicos ou não
As principais aplicações incluem:
• Dessalinização da água salina e salobra
• Produção de água ultrapura
• Concentração de soluções específicas para recuperar elementos de 
interesse
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Características de uma Membrana de OR (Filmtec)
Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
Mulder, 2003
Microfiltração Ultrafiltração Nanofiltração/OR
Separação de 
partículas
Separação de
macromoléculas
Separação de 
solutos de baixa
MM 
PO negligenciável PO negligenciável Alta PO
Baixa PA (<2bar) Baixa PA (1-10 bar) Alta PA (10-60 bar)
Separação baseada 
no tamanho da 
partícula
Separação baseada 
no tamanho da 
partícula/molécula
Separação baseada 
em diferenças de 
solubilidade e 
difusividade
PO – pressão osmótica; PA – pressão aplicada
Eletrodiálise
• Membranas com cargas elétricas são utilizadas para promover a separação de 
espécies iônicas
• Utilizam-se membranas aniônicas e catiônicas dispostas alternadamente entre dois 
eletrodos
• A membrana de eletrodiálise é porosa, feita de resina de troca iônica
• Pode ser usada para produção de água potável (dessalinização), concentração de sais, 
tratamento de efluentes
Eletrodiálise
+
-
++
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
---
--
-
Alimentação
Efluente 
Tratado
Concentrado
Anodo Catodo
Membrana 
Aniônica
Membrana 
Catiônica
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https://www.youtube.com/watch?v=QNX150DtnMc
Eletrodiálise
• A corrente elétrica necessária pode ser calculada a partir da lei de eletrólise de 
Faraday. Para que 1 equivalente-grama de uma substância migre de um eletrodo para 
outro, é necessário um Faraday (F) de eletricidade (96.500 ampere-segundo ou 
coulomb) 
• A massa equivalente removida por unidade de tempo em uma célula eletrolítica é 
dada por
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 = 𝑄 𝑁 𝐸𝑟
Onde 
Q = vazão (L/s)
N = normalidade da solução, i.e, o número de grama de massa equivalente/L
Er = remoção de eletrólito (fração)
Eletrodiálise
• A corrente aplicada em uma única célula eletrolítica é dada por:
𝐼 =
𝐹𝑄𝑁𝐸𝑟
𝐸𝑐
I = corrente em amperes
F = constante de Faraday (96.500 ampere-segundos por grama equivalente removido)
Ec = eficiência da corrente (expressa como fração)
Q = vazão (L/s)
N = normalidade da solução, i.e, o número equivalentes-grama por litro
Er = remoção de eletrólito (fração)
Eletrodiálise
• No entanto, como a mesma corrente passa por várias célulcas, ela é efetivamente 
usada n vezes, onde n é o número de células. Então, a corrente requerida para o 
sistema é dada por:
𝐼 =
𝐹𝑄𝑁𝐸𝑟
𝑛 𝐸𝑐
I = corrente em amperes
F = constante de Faraday (96.500 ampere-segundos por grama equivalente removido)
Ec = eficiência da corrente (expressa como fração)
Q = vazão (L/s)
N = normalidade da solução, i.e, o número de grama de massa equivalente/L
Er = remoção de eletrólito (fração)
n = número de células
Eletrodiálise
• A capacidade de uma célula eletrolítica passar corrente elétrica está relacionada à 
densidade de corrente e à normalidade da solução afluente e é expressa em ma/cm2
• A resistência da pilha de eletrodiálise para um tipo de solução específica deve ser 
determinado experimentalmente. Uma vez que a resistência R e a corrente requerida I 
é conhecida, a voltagem E é calculada pela Lei de Ohm (E=RI), em que E = volts, R 
=ohms e I = amperes. A potência requerida pode ser calculada como P=EI=RI2, onde P 
está em watts
𝜌𝐼 =
𝐼
𝐴
Pervaporação
• Pervaporação é um processo de separação de membrana em que um dos lados da 
membrana está em contato com o líquido, e vácuo (ou gás de arraste) é aplicado do 
outro lado. Obtém-se assim um vapor a partir do líquido permeante
• O termo pervaporação resulta das principais etapas envolvidas no processo de 
separação
• Permeação – dissolução e difusão de um dos componentes da solução através da 
membrana
• Evaporação – absorção de calor pelo componente, que passa para vapor após 
atravessar a membrana
PervaporaçãoPervaporação
Concentrado
Permeado
Alimentação
Bomba de Vácuo
Membrana
Concentrado
Permeado
Alimentação
Condensador
Bomba de Vácuo
Membrana
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Pervaporação
• Membranas hidrofílicas são utilizadas para remover água de uma 
mistura;
• Membranas hidrofóbicas são utilizadas para remover solventes 
apolares de uma solução aquosa ou outros solventes polares;
• Pode-se utilizar a pervaporação para a remoção de compostos 
orgânicos voláteis da água
Extração a vácuo
• É um processo que pode ser utilizado para a separação de gases ou 
compostos voláteis e semivoláteis de uma solução aquosa;
• Para se obter a separação utiliza-se vácuo e uma membrana com 
microporos;
• As membranas apresentam uma grande área específica criando 
uma extensa superfície de contato;
Extração a vácuo
• Para esta operação são utilizadas membranas hidrofóbicas, com 
diâmetro de poro próximo de 0,1 mm e porosidade de 70%;
• Também podem ser utilizadas membranas não porosas;
• Por ser hidrofóbica os poros da membrana permanecem secos e 
preenchidos com gás ou vapor dos compostos que estão sendo 
removidos;
• É possível verificar a presença de poros, os quais com base na
definição adotada pela International Union of Pure and Applied
Chemistry (IUPAC), são:
• Macroporos➔ diâmetro > 0,05 mm,
• Mesoporos➔ diâmetro entre 0,002 e 0,05 mm;
• Microporos➔ diâmetro menor que 0,002 mm;
• Enquadram-se nesta classificação os processos de MF e UF.
Membranas porosas
Superfície de uma membrana porosa (Marcel Mulder, 2003)
•Podem ser consideradas como um meio denso,
• A difusão das espécies ocorre no espaço livre entre as 
cadeias poliméricas;
•Processos de Permeação de gases, Pervaporação, 
NF e OR utilizam este tipo de membrana.
Membranas não porosas
• São um tipo específico de membranas não porosas;
• Apresentam-se na forma de um gel altamente expandido, 
que contém cargas elétricas fixas;
• Membranas com cargas fixas positivas são denominadas de 
aniônicas e aquelas com cargas negativas de catiônicas.
Membranas de troca iônica
Membranas de Troca 
Iônica
	Slide 1: Classificação dos processos de membranas
	Slide 2: Pressão osmótica
	Slide 3: Pressão osmótica
	Slide 4: Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
	Slide 5: Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
	Slide 6: Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
	Slide 7: Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
	Slide 8: Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
	Slide 9: Microfiltração
	Slide 10: Microfiltração
	Slide 11: Ultrafiltração
	Slide 12: Ultrafiltração
	Slide 13: Ultrafiltração
	Slide 14: Ultrafiltração
	Slide 15: Nanofiltração
	Slide 16: Nanofiltração
	Slide 17: Osmose reversa
	Slide 18: Osmose reversa
	Slide 19: Processos de membrana que utilizam pressão hidráulica
	Slide 20: Eletrodiálise
	Slide 21: Eletrodiálise
	Slide 22: Eletrodiálise
	Slide 23: Eletrodiálise
	Slide 24: Eletrodiálise
	Slide 25: Eletrodiálise
	Slide 26: Pervaporação
	Slide 27: Pervaporação
	Slide 28: Pervaporação
	Slide 29: Pervaporação
	Slide 30: Extração a vácuo
	Slide 31: Extração a vácuo
	Slide 32
	Slide 33
	Slide 34
	Slide 35
	Slide 36