Membranas TRI

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PROCESSOS DE SEPARAÇAO POR 
MEMBRANAS 
 
Micro e ultrafiltração 
 
Fabiana V. da Fonseca 
 
 
Microorganismos	
  
Macromoléculas	
  
e	
  vírus	
  
Átomos	
  
10-2 
10-3 
10-4 
10-5 
10-6 
10-7 
Técnica	
  de	
  Separação	
  Filtração 
1 µm 
1 Å	
Microfiltração 
Água	
   Sais 
Macromoléculas	
  
Microorganismos,	
  colóides,	
  
materiais	
  em	
  suspensão 
Membrana	
  
Moléculas	
  de	
  	
  
média	
  massa	
  molar	
   
Ultrafiltração 
 
 
Nanofiltração 
Osmose Inversa 
 
Macromoléculas	
  
Moléculas	
  de	
  	
  
média	
  massa	
  molar	
  Água	
   Sais 
Moléculas	
  de	
  	
  
média	
  massa	
  molar	
  
Água	
   Sais 
Sais 
Água	
  
Moléculas	
  de	
  	
  
média	
  massa	
  molar	
  
Moléculas	
  de	
  	
  
baixa	
  massa	
  molar	
  
e	
  íons	
  
Dimensões	
  das	
  
par@culas	
  e	
  moléculas	
  	
  (mm)	
  
Processos de Separação com Membranas 
que utilizam o gradiente de pressão como força motriz 
Membrana	
  
Membrana	
  
Membrana	
  
ΔP	
  
ΔP	
  
Adaptado	
  de	
  Habert	
  et	
  al,	
  2006	
  
Microfiltração (0,1 – 10 µm)	
  
 
Filtração	
  
Convencional	
  
Ultrafiltração	
  
Microfiltração	
  
1Å	
   0,01	
  µm	
  10Å	
   100µm	
  10µm	
  1µm	
  
Osmose	
  Inversa	
  
Nanofiltração	
  
Diâmetro	
  	
  de	
  	
  Poros	
  	
  de	
  	
  Membranas	
  	
  de	
  	
  MF,	
  	
  UF,	
  	
  NF	
  	
  e	
  	
  OI	
  
Staphilococus	
  	
  
bacteria	
  	
  (1	
  µm)	
  	
  
Pseudonomas	
  
diminuta	
  (0,28µm)	
  
Leveduras	
  e	
  fungos	
  
(1	
  –	
  10	
  µm)	
  
Células	
  bacterianas	
  
(0,3	
  –	
  10	
  µm)	
  
(1000	
  nm)	
  (100	
  nm)	
  
0,1µm	
  
(10	
  nm)	
  (1	
  nm)	
  
colóides	
  
(0,1	
  –	
  10	
  µm)	
  
Adaptado	
  de	
  Habert	
  et	
  al,	
  2006	
  
ΔP	
  <	
  3	
  bar	
  
Ultrafiltração (1 – 100 nm, ou > 1000 Da) 
Filtração	
  
Convencional	
  
Ultrafiltração	
  
Microfiltração	
  
1Å	
   0,01	
  µm	
  10Å	
   100µm	
  10µm	
  1µm	
  
Osmose	
  Inversa	
  
Nanofiltração	
  
Diâmetro	
  	
  de	
  	
  Poros	
  	
  de	
  	
  Membranas	
  	
  de	
  	
  MF,	
  	
  UF,	
  	
  NF	
  	
  e	
  	
  OI	
  
vírus	
  	
  
(30	
  –	
  300	
  nm)	
  
(1000	
  nm)	
  (100	
  nm)	
  
0,1µm	
  
(10	
  nm)	
  (1	
  nm)	
  
polissacarídeos	
  	
  
MM:	
  1.000-­‐100.000	
  Da	
  
	
  (2	
  –	
  10	
  nm)	
  
proteínas	
  	
  	
  
MM:	
  10.000-­‐100.000	
  Da	
  
(2	
  –	
  10	
  nm)	
  
enzimas	
  	
  
MM:	
  1.000-­‐100.000	
  Da	
  
	
  (2	
  –	
  5	
  nm)	
  
Adaptado	
  de	
  Habert	
  et	
  al,	
  2006	
  
ΔP:	
  2	
  -­‐	
  10	
  bar	
  
Processos de Separação por Membranas 
Membrana Porosa Membrana Densa 
Conceituação Básica 
Força Motriz para o Transporte 
E 
p C 
µ 
T 
Tipos de membranas 
Na seleção da membrana: 
 
Membranas porosas: 
Porosidade 
Morfologia da seção transversal 
Material – Resistência química, térmica e mecânica 
 Interações físico-químicas 
 técnica de preparo 
 geometria 
Prof.	
  Mierzwa	
  
Tipos	
  de	
  membranas	
  
n  As	
  membranas	
  comumente	
  uWlizadas	
  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	
  (φ	
  <	
  0,5	
  mm)	
  
n  Capilar	
  (0,5	
  <	
  φ <	
  5	
  mm)	
  
n  Tubular	
  (φ >	
  5	
  mm).	
  
Exs. de morfologia: Membrana Plana 
Seção Transversal 
Superfície Superior 
Superfície Inferior 
10	
  µm	
  
1	
  µm	
  
ST próximo à 
superfície interna	
  
Superfície externa ST próximo à 
superfície externa	
  
Superfície interna 
Seção Transversal 
Exs. de morfologia de Fibra Oca 
Materiais 
Poliméricos 
 
 
 
 
Cerâmicos 
 
 
 
 
 
Polisulfona,	
  poliétersulfona	
  
Polimida,	
  poliéterimida	
  
Acetato	
  de	
  celulose,	
  	
  
Poliacrilonitrila,	
  policarbonato	
  
Al2O3,	
  ZrO2,	
  	
  
	
  	
  
Módulo Placa e Quadro. 
Módulo Espiral 
Módulos com membranas 
na forma Fibras Ocas e 
Capilares 
Habert	
  et	
  al.	
  (2006).	
  
PERMEADO 
 
(isento de materiais em 
suspensão, micro-
emulsionados, 
complexados, 
microorganismos e 
bactérias) 
CONCENTRADO 
Água ou Efluente 
Bruto 
Tipos de módulos 
Módulos com Membranas 
Placa e Quadro 
Fonte:	
  Viana	
  (2004)	
  
J
K S
P
xv
=
−
ε
η ε
3
2 21. . .( )
.Δ
Δ
Konezy-Carman 
J r
xv
=
ε
η τ
.
. .
2
8
Δ
Δ
P
Hagen-Poiseuille 
Modelos do Escoamento em Poros 
•  Fluxo de Solvente 
Transporte em Membranas Porosas 
PLJ pv Δ= .
permeabilidade	
  
Permeabilidade	
  depende	
  das	
  caracterisWcas	
  da	
  membrana	
  (raio,	
  porosidade,	
  
espessura)	
  e	
  do	
  fluido	
  que	
  permeia	
  a	
  membrana	
  (viscosidade)	
  
Esferas	
  	
  Poros	
  
cilindricos	
  	
  
J
K S
P
xv
=
−
ε
η ε
3
2 21. . .( )
.Δ
Δ
Kanezy-Carman 
J r
xv
=
ε
η τ
.
. .
2
8
Δ
Δ
P
Hagen-Poiseuille 
Modelos do Escoamento em Poros 
•  Fluxo de Solvente 
•  Fluxo de Soluto 
J J C D dC
dxi v i
m
i
i= − 
Lei de Fick 
Transporte em Membranas Porosas 
ConvecWva	
  –	
  quanWdade	
  de	
  
soluto	
  que	
  atravessa	
  a	
  
membrana	
  (por	
  área	
  e	
  tempo)	
  
Difusiva	
   –	
   quanWdade	
   	
   de	
   soluto	
   que	
   atravessa	
   a	
  
membrana	
  devido	
  a	
  um	
  gradiente	
  de	
  concentração	
  
ao	
  longo	
  da	
  espessura	
  da	
  membrana	
  
Fluxo do Solvente Puro 
PSM que utilizam Pressão como força motriz 
Contribuição	
  difusiva	
  desprezivel:	
  	
  Fluxo	
  de	
  permeado	
  dependência	
  
linear	
  com	
  a	
  pressão	
  
Recuperação	
  (q)	
  	
  
Percentual	
  de	
  volume	
  recuperado	
  no	
  permeado	
  em	
  relação	
  ao	
  volume	
  de	
  	
  
alimentação.	
  	
  
Coeficiente	
  de	
  Rejeição	
  (R) 	
   	
  Fluxo	
  Permeado	
  (Jp)	
  
	
  
Determinada	
  pela	
  rejeição	
  ao	
  soluto,	
  ou	
  seja,	
  
percentagem	
  de	
  soluto	
  reWdo	
  pela	
  membrana.	
  	
  
	
   ( )
100(%)
0
0 x
C
CC
R p ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
=
A
P
Q
Q
=Θ
Seletividade 
tA
QpJp
.
=
FILTRAÇÃO	
  CONVENCIONAL	
  
“DEAD	
  END	
  	
  FILTRATION”	
  
FILTRAÇÃO	
  	
  COM	
  	
  ESCOAMENTO	
  	
  
	
  TANGENCIAL	
  
“CROSS	
  FLOW	
  FILTRATION”	
  
Tempo 
 F
lu
xo
 P
er
m
ea
do
 
 F
lu
xo
 P
er
m
ea
do
 
Tempo 
Tipos de Escoamento 
alimentação	
  
permeado	
  
alimentação	
  
permeado	
  
	
  alimentação	
  
	
  Membrana	
  	
  
x	
  
	
  permeado	
  	
  
Teoria do Filme – Polarização de Concentração 
J	
  .c	
  
J.cperm	
  
cm	
   	
  permeado	
  
0	
  
Direção	
  do	
  escoamento	
  
calim.	
  
	
  alimentação	
  
	
  Membrana	
  	
  
Camada	
  limite	
  
δ	
  
x	
  
	
  permeado	
  	
  
Teoria do Filme – Polarização de Concentração 
J	
  .c	
  
cp	
  
J.cperm	
  
cm	
  
D	
  .	
  dc	
  dx	
  
	
  permeado	
  
0	
  
Direção	
  doescoamento	
  
calim.	
  
	
  alimentação	
  
	
  Membrana	
  	
  
Camada	
  limite	
  
δ	
  
x	
  
	
  permeado	
  	
  
Teoria do Filme – Polarização de Concentração 
J	
  .c	
  
cp	
  
J.cperm	
  
cm	
  
D	
  .	
  dc	
  dx	
  
	
  permeado	
  
0	
  
Direção	
  do	
  escoamento	
  
x=0	
  =>	
  c=cm	
  
x=δ	
  =>	
  c=	
  calim	
  
J(c-­‐cp)=	
  -­‐	
  D	
  .dc	
  dx	
  
J=	
  k	
  	
  ln	
  (cm-­‐cperm)	
  
(calim-­‐cperm)	
  
onde:	
  k=	
  D/δ	
Coeficiente	
  
de	
  transferência	
  de	
  massa	
  
calim.	
  
Solvente	
  (água)	
  
Solução	
  
J	
  
Δ	
   P	
  
Fluxo permeado 
Solvente	
  (água)	
  
Solução	
  
J	
  
Δ	
   P	
  
Re	
   δ	
k=	
  k(velocidade	
  de	
  escoamento,	
  
caracterísWcas	
  do	
  fluido,	
  coef.	
  difusão,	
  f	
  
formas	
  e	
  dimensões	
  do	
  módulo)	
  
Fluxo permeado - efeito do Re 
10 223 
 C (g/l) Re 
10 1726 
10 664 
Água Pura 
Soluções de 
dextrana - D70 
Fluxo permeado - efeito do Re 
Re	
  
Adaptado	
  de	
  Habert	
  et.al,	
  2006	
  
Solvente	
  (água)	
  
Solução	
  
J	
  
Δ	
   P	
  
	
  
	
  
Para	
  maior	
  
Calim.	
  
Fluxo permeado – efeito da concentração de alimentação 
Água Pura C (g/l) Re 
10 664 
20 523 
Calim=	
  20	
  g/L	
  
Fluxo permeado – efeito da concentração de alimentação 
Adaptado	
  de	
  Habert	
  et.al,	
  2006	
  
Soluções de 
dextrana - D70 
Calim=	
  10	
  g/L	
  
Solvente puro 
Tempo 
Fluxo do 
Permeado 
Solução 
Polarização de 
concentração 
Deposições 
(incrustações) 
Fluxo permeado 
ΔP = cte 
Incrustação 
alimentação	
  
polarização	
  	
  
de	
  concentração	
  
adsorção	
   bloqueio	
  
camada	
  gel	
  
Fluxo	
  permeado	
  
membrana	
  
Formação de incrustações: 
 
o  queda do fluxo permeado, 
o  maior demanda de energia 
o  aumento da perda de carga nos módulos de permeação 
o  precipitação de orgânicos pode atuar como fontes de 
 nutrientes para microorganismos 
o  degradação da membrana 
o  diminuição dos intervalos entre as limpezas químicas 
o  redução do tempo de vida útil das membranas 
Incrustações 
alimentação	
  
Rm	
  
Rpc	
  
Ra	
   Rb	
  
Rg	
  
Fluxo	
  permeado	
  
Permeação – Modelo das Resistências 
J	
  =	
  LP	
  ΔP	
  
ηRt	
  
	
  LP	
  	
  =	
  	
  1	
  
Rt=	
  Rm	
  +	
  Ra	
  +	
  Rb	
  +	
  Rg	
  +	
  Rpc	
  
Solução-­‐	
  
Viscosidade	
  
Δ	
   P	
  
Fluxo permeado 
Solvente	
  	
  	
  	
  
(água)	
  
Solução	
  
J	
  
Fluxo	
  limite	
  
Calim.	
  
1)  P	
  baixa:	
  aumento	
  do	
  fluxo	
  
2)  P	
  alta:	
  aumento	
  da	
  retenção,	
  queda	
  do	
  fluxo	
  
3)  P	
  mais	
  alta:	
  fluxo	
  limite	
  
Operação em alta pressão 
Solução 
Solvente Puro 
Fluxo permeado 
Fluxo	
  	
  
permeado	
  
tempo	
  
Operação em baixa pressão 
Solução 
Fluxo	
  	
  
permeado	
  
tempo	
  
Solvente Puro 
Fluxo permeado 
Concentração	
  de	
  soluto	
  das	
  
	
  espécies	
  reWdas	
  
Re	
  	
  	
  elevado	
  
P	
  	
  	
  	
  baixa	
  
Operação em baixa pressão 
Operação em alta pressão 
Solução 
Fluxo permeado 
Solução 
Fluxo	
  	
  
permeado	
  
tempo	
  
Tempo 
Fluxo 
Permeado 
Solvente 
Suspensão 
retrolavagem	
  
permeado	
  
permeado	
  
com retrolavagem 
sem retrolavagem 
Suspensão 
permeado	
  
permeado	
  
operação	
  normal	
  
Recuperação do Fluxo Permeado – Retrolavagem 
membranas de MF e UF 
Volume de permeado: 100 ou 500 mL 
Δp = 30 psi (valor mínimo) 
Membrana com tamanho de poros de 0,45 µm 
Índice de densidade de sedimentos (“Silt density index”) 
]min[% 
T
100)
t
t-(1
 SDI 1-
t
t
1
⋅
⋅
=
Potencial de ocorrência de incrustações (“fouling”) 
1.  Tanque da alimentação 
2.  Bomba 
3.  Célula de permeação 
4.  Medidor de pressão 
5.  Válvula reguladora de 
pressão 
6.  Válvula para coleta do 
permeado 
Membrana Millipore 0.45 µm 
Pressão = 30 psi 
Volume = 500 
mL 
Potencial de ocorrência de incrustações (“fouling”) 
Recuperação do Fluxo Permeado – Retrolavagem 
membranas de MF e UF 
Superucie	
  da	
  membrana	
  
com	
  incrustação	
  
Tempo	
  de	
  retrolavagem:	
  
Membrana	
  de	
  acetato	
  de	
  celulose	
  
Pressão	
  de	
  retrolavagem:	
  3	
  psi	
   Adaptado	
  de	
  R.W.Baker,	
  2004	
  
•  Lavagem com água quente, maior velocidade de escoamento; 
•  Solução acida ou alcalina (depende do depósito); 
•  Solução aquecida com detergente. 
•  Lavagem do sistema; 
•  Medida do fluxo de água (condições pré-estabelecidas). 
Recuperação do Fluxo Permeado – Limpeza química 
membranas de MF e UF 
Membrana	
  de	
  ésteres	
  de	
  celulose	
  P	
  =	
  0,5	
  bar	
  	
  
0 
10 
20 
30 
40 
50 
60 
70 
80 
0 20 40 60 80 100 120 
tempo operação (h) 
Fl
ux
o 
(L
/m
².h
) 
Operação utilizando lavagem ácida 
Operação utilizando lav . detergente 
Parada e lavagem com detergente 
Parada e lavagem ácida 
Recuperação do Fluxo Permeado – Limpeza química 
membranas de MF no processamento da água de produção de petróleo 
 
Sistema	
  para	
  microfiltração	
  de	
  vinho,	
  Koch	
  	
  
Algumas aplicações da microfiltração 
Clarificação	
  de	
  sucos,	
  Ameridia/Eurodia	
  
(membrana	
  de	
  aço	
  inox	
  sinterizado	
  SCEPTER®	
  
	
  0,1	
  µm,	
  	
  50	
  m3/h,	
  480	
  m2)	
  
(módulo	
  de	
  fibras	
  ocas	
  poliméricas-­‐	
  0,2	
  µm)	
  
• 	
  Recuperação	
  de	
  Wntas	
  na	
  indústria	
  automobilísWca	
  
Algumas aplicações da ultrafiltração 
ultrafiltração	
  
Unidade	
  	
  da	
  	
  	
  
Asahi	
  Kasei	
  microza	
  
Exemplos de aplicações em operação 
Tratamento	
  de	
  efluentes	
  de	
  refinaria	
  	
  para	
  
reúso	
  de	
  águas	
  
(REVAP	
  –	
  Refinaria	
  do	
  Vale	
  do	
  Paraíba/	
  
PETROBRAS),	
  	
  combinando	
  UF	
  e	
  OI.	
  	
  
Capacidade:	
  2040	
  m3/dia	
  
São	
  José	
  dos	
  Campos-­‐SP	
  
A.C.	
  Costa,	
  Semin.	
  Pesq.	
  COPPE/UFRJ,	
  2010	
  
Tratamento	
  de	
  efluentes	
  de	
  refinaria	
  
(Kwinana	
  Refinery),	
  	
  	
  combinando	
  MF	
  e	
  OI.	
  	
  
Capacidade:	
  8700	
  m3/dia	
  
Kwinana,	
  Australia	
  
h}p://www.water-­‐technology.net/projects/kwinana/kwinana3.html	
  
OSMOSE INVERSA 
 
 
OSMOSE INVERSA 
 
 
Osmose:	
   Quando	
   uma	
   membrana	
   semipermeável	
   (permeável	
  
somente	
  ao	
  solvente)	
  separa	
  uma	
  solução	
  de	
  um	
  determinado	
  soluto	
  
do	
   solvente	
   puro,	
   ou	
   uma	
   solução	
   de	
  menor	
   concentração,	
   haverá	
  
um	
  fluxo	
  de	
  solvente	
  no	
  senWdo	
  do	
  solvente	
  puro	
  para	
  a	
  solução,	
  ou	
  
da	
  solução	
  diluida	
  para	
  a	
  solução	
  concentrada.	
  
Fluxo de água 
Fluxo Osmótico 
Solução 
diluída 
Solução 
concentrada membrana 
µ1 < µ2 
Osmose inversa 
A	
  presença	
  do	
  soluto	
  
ocasiona	
   uma	
   queda	
  
do	
  potencial	
  quimico	
  
d o	
   s o l v e n t e	
   n a	
  
solução	
  
Fluxo Osmótico 
Osmose inversa 
Fluxo Osmótico 
Osmose inversaΔπ (Pressão 
Osmótica) 
Equilíbrio Osmótico 
µ1 = µ2 
Fluxo de água 
ΔP > Δπ ΔP 
Osmose inversa 
Osmose inversa 
Osmose Inversa 
ΔP 
Osmose inversa 
ΔP 
Osmose Inversa 
Osmose inversa 
Osmose Inversa 
ΔP 
Osmose inversa 
ΔP 
Osmose Inversa 
Osmose inversa 
Modelo da Solução - Difusão 
Membranas	
  densas	
  	
  	
  (OI)	
   PA J z Δ=
Fluxo	
  Permeado	
  do	
  Solvente	
  Puro	
  	
  
P	
  
µ	
1	
  
m,II	
  
membrana	
  
Difusão 
Sorção Dessorção 
1 µ	
I 
µ	
m,I 1 
µ	
1	
  
II 
Fase II Fase I 
m 
1 C 
P1	
   P2	
  
Mecanismo de Transporte: Difusivo 
Afinidade	
  (Sorção)	
  
Mobilidade	
  (Difusão)	
  	
  
Espessura	
  da	
  membrana	
  
PA J z Δ=
Fluxo	
  Permeado	
  do	
  Solvente	
  Puro	
  	
  
Membranas	
  densas	
  	
  	
  (OI)	
  
A	
  =	
  f	
  (CaracterísWcas	
  do	
  par	
  membrana/fluido	
  que	
  permeia)	
  
Modelo da Solução - Difusão 
iiz C BJ Δ=
 
z 
 J iiz ∂
µ∂
α
µ	
1	
  
m,II	
  
membrana	
  
Difusão 
Sorção Dessorção 
1µ	
I 
II 
C 1 
µ	
m,I 1 
m,II 
1 C 
m,I 
1 C 
I 
1 C µ	
1	
  
II 
Fase II Fase I 
 
z 
P J iz ∂
∂
α 
z 
C J iiz ∂
∂
αe	
  
Membranas	
  densas	
  	
  	
  (OI)	
  
Fluxo	
  Permeado	
  do	
  Soluto	
  
P1	
   P2	
  
Módulo do Tipo Espiral 
 MEMBRANA ENTRE DOIS ESPAÇADORES 
Canal coletor de permeado Escoamento da alimentação 
Aumento da turbulência 
As membranas e os espaçadores são enroladas em torno de um duto, por 
onde escoa o permeado. 
Superucie	
  	
  
da	
  Membrana	
  
RevesWmento	
  
	
  de	
  fibra	
  de	
  vidro	
  	
  
Tubo	
  de	
  	
  
Permeado	
  
Concentrado	
  
Produto	
  
Concentrado	
  
Superucie	
  da	
  
Membrana	
   Cola.	
  
Espaçador	
  
(canal	
  de	
  	
  
alimentação)	
  
“non	
  woven”	
  
Canal	
  coletor	
  
	
  do	
  permeado	
  
Escoamento	
  
	
  do	
  Permeado	
  
Alimentação	
  
Alimentação	
  
Selo	
  	
  para	
  o	
  	
  
concentrado	
  
Produto