PROCESSO DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS

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PROCESSOS DE 
SEPARAÇÃO POR 
MEMBRANAS
ANA CAROLINA MICHALOWSKI
BRUNA HELLEN FRANCO
MICHEL HENRIQUE RAIMUNDO
TALITA ALMEIDA DEROIDE
OPERAÇÕES UNITÁRIAS A
PROFª FERNANDA LINI SEIXAS
OBJETIVOS:
 Apresentar os principais conceitos associados aos processos 
de separação por membranas
 Classificação dos processos de separação por membranas 
em função das características das membranas e parâmetros 
de operação;
 Aplicações e limitações dos processos de separação por 
membranas
 Estudo de caso e contextualização
 Custos
INTRODUÇÃO
Objetivo: Separar moléculas ou partículas de uma solução por 
membranas artifíciais
Força motriz (Gradientes): 
 Pressão 
 Potencial químico
 Concentração
 Pressão osmótica
 Pressão parcial
 Potencial elétrico
INTRODUÇÃO
Matematicamente o potencial químico é dado 
por:
Categorias de PSM em função da força motriz:
HISTÓRIA
 1748 - Jean-Antoine Nollet;
 Membranas eram produzidas de bexigas e partes do intestino 
de animais;
 Membranas de nitro celulose;
 1930 – processos de separação por membrana eram de 
pequena escala; 
HISTÓRIA
 1960 – Elementos mais modernos foram desenvolvidos;
 Mercado internacional em 2009 – lucro de U$2,6 bilhões;
 1960 – Processo de Loeb-Sourirajan: passagem do uso 
laboratorial de membranas para o industrial;
 1960-1980 mudança na tecnologia de membranas 
(polarização interfacial e composição multicamadas).
PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR 
MEMBRANAS
 Se aplica a moléculas e partículas na escala de 
micrometro e o seu limite esta entre 10-50 nanometros
TIPOS DE PROCESSOS
 Microfiltração
 Nanofiltração
 Osmose inversa
 Ultrafiltração 
APLICAÇÃO
 Purificar a água 
 Intensificar processos físico-químicos
 Separação de gases
 Dessanilização da água
APLICAÇÃO
 Processo;
 Aplicações;
 Vantagens;
 Desvantagens.
Nanofiltração (NF)
 Processo;
 Aplicações;
 Vantagens;
 Desvantagens. 
Microfiltração (MF)
Osmose Inversa
Osmose Inversa
 Funcionamento da osmose inversa
 Quantidade de pressão
 Permeado ou produto
 Rejeitado ou concentrado
Osmose Inversa
Osmose Inversa
Membranas:
 Redução dos TDS;
 Acetato de celulose;
 Poliamida.
Osmose Inversa
Osmose Inversa
Parâmetros de operação:
 Tipo de captação;
 Qualidade de alimentação;
 Caudal de alimentação;
Osmose Inversa
 Qualidade de permeado;
 Temperatura;
 Caudal de permeado;
 Utilização do permeado.
Osmose Inversa
Pré-tratamento evita:
 Incrustações;
 Scaling;
 Ataque químico;
 Dano mecânico.
Osmose Inversa
Soluções para o pré-tratamento:
 Filtração multimédia;
 Microfiltração;
 Descalcificação;
 Inibição de incrustadores;
 Inibidores de cloro ativo.
Osmose Inversa
Aplicações:
 Agropecuária;
 Indústria;
 Águas salobras;
 Saúde;
Osmose Inversa
Vantagens:
 Produtos químicos;
 Área de implantação (troca iônica);
 Sistemas automáticos e robustos;
Osmose Inversa
 Custo operacional;
 Operação contínua (regeneração);
 Geração de efluentes;
 Sistemas modulares (vazões).
Osmose Inversa
Desvantagens:
 Maior consumo de energia elétrica;
 Geração de corrente de rejeito.
Ultrafiltração
Ultrafiltração
 Funcionamento da ultrafiltração
 Quantidade de pressão
 Permeado ou produto
 Rejeitado ou concentrado
Ultrafiltração
Ultrafiltração
Ultrafiltração
Condicionamento da eficácia:
 Temperatura;
 Pressão;
 Membrana.
Ultrafiltração
Aplicações:
 Tratamento de esgotos;
 Proteínas e hidrolisados protéicos oriundos de pescados;
 Pré-tratamento da água (osmose reversa ou nanofiltração);
Ultrafiltração
 Tratamento de efluentes em queijarias;
 Concentração do soro de leite;
 Filtração, clarificação e concentração de sucos e polpas de 
frutas;
 Filtração das águas subterrâneas.
Ultrafiltração
Vantagens:
 Processo automatizado;
 Produtos químicos;
 Área de implantação;
 Consumo de energia;
Ultrafiltração
 Fluxo de filtração;
 Qualidade e turbidez;
 Eliminação de contaminações microscópicas;
 Membranas disponíveis comercialmente;
 Técnica simples;
Ultrafiltração
Desvantagens:
 Quase não há remoção de íons, gases e orgânicos de baixo 
peso molecular;
 Não é adequado para o tratamento de soluções com elevada 
concentração de material particulado.
Osmose inversa, nanofiltração, 
ultrafiltração e microfiltração 
Eletrodiálise
Neste p rocesso p o d e ocorrer a 
eletrólise d a á g u a , c o m c o n s e q u e n t e 
f o r m a ç ã o d e H2 e OH-;
Em a p l i c a ç õ e s industriais c e n t e n a s de 
pa r es d e células s ã o m o n t a d a s e m 
u m a pilha, m e lho r ando a ef ic iência d o
uso d e energ ia ;
Eletrodiálise
(cont.)
Compostos orgânicos e n ã o iônicos n ã o
são afe tados, p o d e n d o a t é causar
problemas à membranas ;
Compostos iônicos c o m baixa solubilidade 
p o d e m precipitar n a superfície das 
membranas .
Eletrodiálise
(cont.)
Uma o p ç ã o para reduzir o potencial d e
depósito é promover a inversão d a 
polar idade dos eletrodos per iodicamente;
O fluxo osmótico interfere n a eficiência d o 
processo, no q u e diz respeito à produção
d e á g u a purificada;
Na eletrodiálise a dens idade d e 
corrente (mA/cm2), é determinada pe la
tensão ap l icada aos eletrodos e 
resistência total d a pilha d e 
membranas.
Eletrodiálise
(cont.)
Aplicações:
 Produção d e á g u a
potável;
 Concen t ração d e sais;
 Tratamento d e efluentes;
 O bt enção d e cloro e
hidróxido.
Unidade deEletrodiálise
Estudo de caso:
Caracterização do processo de separação por 
membranas aplicado a remoção de taninos do
suco de caju
Processos de separação por membranas têm sido
estudados como alternativa aos processos 
convencionais de clarificação de sucos de frutas.
 Redução de sólidos
 Alternativa aos processos térmicos usados na conservação de alimentos, 
tais como pasteurização e a concentração térmica. 
 Vantagem de utilizar temperaturas brandas preservando os sucos de 
perdas de nutrientes e degradação de cor, além de evitar a agregação de 
características organolépticas indesejáveis tais como o sabor de
cozido ao suco, característica comum quando se utiliza processos 
térmicos
 Utilização de sistemas de microfiltração no processamento de suco de 
caju é eficiente na remoção de taninos do suco de caju.
Fenômenos
que limitam o fluxo de material permeado na filtração
Polarização da concentração:
Arraste de sólidos para a superfície da membrana por transporte convectivo, formando um 
gradiente de concentração que é responsável pelo desvio do fluxo comparado ao da água 
pura, pois provoca o contra-fluxo de solutos em direção à alimentação, em virtude da difusão.
Camada polarizada:
Se este aumento na concentração é suficiente para
depositar sólidos na superfície da membrana, tem-se
a formação da camada polarizada, que oferece uma
resistência adicional ao fluxo. Esta é uma camada 
dinâmica, que pode diminuir com a mudança das 
condições operacionais (diminuindo a pressão de 
operaçãodo sistema ou aumentando a velocidade do 
fluido, por exemplo).
Fouling:
O fouling ocorre quando há deposição e acúmulo 
irreversível de sólidos na superfície e nos poros da 
membrana. Este fenômeno está relacionado às 
características da membrana e interações soluto-
solutoe solutomembrana. A recuperação do fluxo só é 
possível com
backflushing (aplicação de um fluxo de sentido 
contrário ao do permeado para desentupimento dos 
poros) ou limpeza química da membrana
Fundamentação Teórica
Filtração estática e tangencial
(a) o fluxo passa perpendicularmente à membrana, criando uma 
única corrente de filtrado, enquanto os sólidos retidos 
durante o processo vão acumulando-se rapidamente sobre o 
filtro, formando uma “torta” que cresce em sua superfície e 
resultando numa diminuição considerável do fluxo de 
permeado. Isto exige freqüentes paradas
(b) A solução é alimentada tangencialmente à membrana, de 
modo que
duas correntes são geradas: a de retentado (ou 
concentrado), com partículas de tamanho maior que a do 
poro da membrana, e a de permeado, com componentes de 
tamanho menor ou igual ao dos poros da membrana. 
O retentado pode ser recirculado no sistema, e
assim as partículas depositadas sobre a membrana são 
constantemente arrastadas pelo próprio fluxo de alimentação, 
diminuindo a espessura da camada de partículas que se acumula 
sobre a membrana e mantendo o fluxo em patamares elevados por 
mais tempo de forma que esta configuração permite a filtração de 
meios mais concentrados, maior volume de matéria-prima 
recirculante e operação em modo contínuo. A comparação entre o 
decaimento do fluxo e a resistência causada pela torta nas duas 
configurações é mostrada na próxima figura
Comportamento do fluxo (J) e da resistência (R) causada pela 
torta em função do tempo para filtração estática (a) e tangencial 
(b).
Lei de Darcy
Essa lei considera a linearidade entre a vazão e a queda de pressão e a
constante de proporcionalidade representam a permeabilidade do meio, que 
só depende das suas propriedades físicas. Posteriormente, essa lei foi 
estendida para representar o escoamento da grande parte de fluidos em 
meios porosos, incluindo membranas.
Equações governantes
Coeficiente de permeabilidade K
Resistência da membrana (Rm) como o inverso de K
A Equação da resistência nos mostra que a resistência é uma constante que depende 
unicamente de geometria da membrana. Já o fluxo é proporcional à pressão transmembrana e 
inversamente proporcional à viscosidade do fluido e às resistências oferecidas pelo sistema. 
Materiais

pedúnculo do caju
Resultados e Discussão
Modelagem do fluxo de permeado
Modelo exponencial do fluxo
Durante o processamento do suco foram utilizados valores de Ja, dado o 
menor desvio dos pontos experimentais em relação à linha de tendência. 
O ajuste foi feito seguindo um decaimento de primeira ordem, através do 
software Origin®. O fluxo inicial (Jo) ajustado pelo modelo foi de 46,08 kg/h.m², 
reduzindo-se a 24,26 kg/h.m² (Jf) após 260 minutos de filtração. Nestas 
condições, a taxa de decaimento do processo foi de 0,3200 h-1. O ajuste 
apresenta fortíssima correlação, com valor de R² = 0,996. Dessa forma, o fluxo 
de permeado acumulado do processo segue o modelo da Equação:
Com t dado em horas e J em kg/h.m²
Cálculo das resistências
Maiores limitações ao fluxo de permeado no processamento do suco do 
caju estão relacionadas ao fenômeno de fouling, responsável por 80% da 
resistência total no sistema, seguido pelo fenômeno de camada polarizada 
(12%) e por fim, a resistência da membrana (8%).
O Fouling foi a resistência com maior valor em todas as suas
condições testadas, que incluiu variações no tratamento enzimático, 
velocidade tangencial e pressão transmembrana.
Este resultado evidencia a importância da análise de variáveis críticas do 
processo que possam diminuir os efeitos de resistência no processo, como 
o estudo do fluxo de permeado frente a variações de pressão e velocidade 
do fluxo de alimentação e o uso de enzimas pectinolíticas 
Análise de açúcares e teor de 
tanino
 A análise de açúcares por cromatografia líquida de alta eficiência mostrou 
que houve diminuição nas concentrações durante o processo de 
clarificação. A concentração inicial de açúcares no suco de caju era de 
92,0 g/L e foi reduzida para 89,2 g/L no suco clarificado.
 A quantificação de taninos no suco pelo método químico com reagente 
de Folin-Ciocalteau apontou que houve uma redução deste composto no 
suco clarificado, variando de 0,34% no suco in natura para 0,021%.
Esses resultados mostram que a clarificação é eficiente na redução de 
taninosa, portanto na redução da adstringência do suco de caju in natura
Conlusão do Caso de Estudo
O estudo tecnológico do sistema de microfiltração permitiu 
determinar um modelo matemático para o decaimento do fluxo 
de suco de caju permeado e também as resistências oferecidas 
ao sistema através da Lei de Darcy, onde o fenômeno de 
fouling apresentou maior contribuição à resistência total, 80% 
da resistência total no processamento. 
A resistência da membrana apresentou a menor contribuição à 
resistência total, 8%, evidenciando a importância de otimização 
do processo de separação por membranas.
Custos de sistemas de separação por 
membranas
Quando se fala em custos de sistemas de separação por 
membranas deve-se considerar:
 Custo de implantação do sistema
 Custo de operação e manutenção
Estes custos variam de acordo com a 
configuração do sistema.
Custos de sistemas de separação por 
membranas
O custo de implantação é obtido considerando-se os seguintes 
componentes:
 Unidade de separação por membranas:
 Membranas (área);
 Vasos de pressão ou módulos;
 Subsistema de limpeza química;
 Bombas;
 Instrumentos.
Componentes do sistema:
 Tanques de armazenagem; 
 Edificações; 
 Sistemas auxiliares: 
 Água; 
 Energia; 
 Drenagem; 
 Ar comprimido.
O custo de operação e manutenção é obtido considerando-se: 
 Mão de obra; 
 Insumos químicos; 
 Energia; 
 Substituição das membranas.
Conclusão
 As técnicas de separação por membranas têm tido cada vez 
mais relevância na sociedade atual, demonstrando-se 
ferramentas essenciais como na extração de sucos por 
exemplo. Com este seminário e com a pesquisa efetuada 
sobre o tema tivemos a oportunidade de descobrir o modo 
como se realizam os processos de separação por 
membranas (osmose inversa, nanofiltração, ultrafiltração e 
eletrodiálise), as suas variadíssimas aplicações e a 
importância que estas técnicas revelam nas separações de 
fluidos. Apesar dos custos elevados de manutenção e 
fornecimento é importante que se analisem as vantagens 
para que possa haver um desenvolvimento nesta área, que 
se mostra tão importante e promissora. 
Referências 
 CHERYAN, M. Ultrafiltration and microfiltration handbook. Lancaster: 
Technomic, 1998.
 RAUTENBACH, R.; ALBRECHT, R. Membrane processes. Chichester: 
John Wiley & Sons, 1989.
 SLATTERY, J. C. Momentum, energy and mass transfer in continua. 
New York: McGraw Hill, 1972.
 GASPARETTO, D. Caracterização do processo de separação por 
membranas aplicado a remoção de taninos do suco de caju. 
Ciênc. Exatas. Tecnol., Unopar - Londrina, 2007.
 HABERT, C.A.; BORGES, C.P.; NOBREGA, R. Processos de separação 
por membranas. Rio de Janeiro: E-papers, 2006.