Osmose reversa

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FACULDADE FINOM
ENGENHARIA AMBIENTAL
SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA: OSMOSE REVERSA
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Aluna: Anna Raphaella da S. Barbosa
PARACATU – MG
NOVEMBRO/2019
Introdução
A osmose reversa foi desenvolvida a partir da descoberta, há mais de 200 anos, de que material natural como a parede celular de vegetais, apresenta permeabilidade à água, porém não permitem passagem de materiais nela dissolvidos. 
Inicialmente, a osmose reversa foi empregada com o objetivo de dessalinizar a água do mar. Entre as décadas de 1960 e 1970 esta tecnologia começou a ser usada na indústria de alimentos, sendo a indústria leiteira a pioneira. Através de um processo que utiliza uma pressão externa superior à pressão osmótica, a água atravessa uma membrana semipermeável, passando de uma solução alta concentração de sal para uma de baixa ou com nenhum teor deste composto. A membrana industrial é uma barreira semipermeável composta de polímeros, por exemplo, acetato de celulose ou poliamida. 
O processo de fracionamento completo, utilizado para tratamento de água, permite remover a maior parte dos contaminantes orgânicos e até 99% de todos os íons. Este processo remove ainda até 99,0% dos vírus, das bactérias e dos colóides, usando uma pressão superior a pressão osmótica que força a passagem de água através da membrana semipermeável no sentido inverso ao da osmose natural. A pressão osmótica é a diferença de pressão e de energia potencial que existe entre duas soluções, em lados opostos de uma membrana semipermeável, devido à tendência da água a fluir por osmose.
A osmose reversa é utilizada para dessalinizar águas marinhas, águas salobras e águas de superfície. A pressão aplicada deve superar a pressão osmótica da solução para separar os sais da água. Na prática, a pressão de operação deve superar também a resistência da membrana, a resistência da zona de concentração-polarização e a resistência interna do equipamento. As pressões de operação reais são, portanto, mais elevadas do que a pressão osmótica da solução. Nesse processo empregam-se membranas sintéticas porosas com tamanhos de poros tão pequenos que filtram os sais dissolvidos na água. Para que a água passe pelas membranas, é necessário pressurizar a água com pressões maiores de 10 kgf/cm2. 
Imagem 1: Fluxograma da unidade de bancada de osmose reversa
Descrição do Processo
O processo de osmose reversa, ao contrário da filtração convencional, em que os contaminantes ficam retidos dentro ou na superfície do filtro, os contaminantes, partículas sólidas e compostos existentes no efluente, são eliminados pelo fluxo transversal do rejeito. A porcentagem de água de alimentação que é permeada recebe denominação de taxa de recuperação, que dependerá do sistema utilizado.
As tecnologias como osmose reversa e troca iônica podem ser empregadas separadas ou de forma combinada. Quando uma água muito pura é solicitada, emprega-se osmose reversa seguida de troca iônica. A dessalinização é aplicada em vários ramos de atividades e processos dentro da indústria. Eventualmente, a osmose reversa pode ser utilizada na dessalinização de águas muito salobras para produzir água potável, caso não exista outra fonte bruta disponível. Produzir água potável por dessalinização tem alto custo. Para se dimensionar o sistema de tratamento ideal, alguns parâmetros devem ser levados em consideração: A vazão da água; O período de operação diária; A procedência da água bruta; A utilização da água tratada; A análise da água bruta; Produtos químicos disponíveis; Área disponível, qualificação; Utilidades (ar, vapor, energia); Qualificação de mão-de-obra. 
Esses dados são muito importantes por duas razões. Primeiro, conhecendo-se a vazão de água e o período de operação diária, pode-se definir o tamanho do equipamento. Em segundo, porque, com a análise e procedência da água bruta e a utilização da água tratada, será definido o tipo de tratamento necessário para se obter o produto dentro dos padrões requeridos para sua utilização.
Um problema associado a esta técnica resulta do acumulo de moléculas de soluto rejeitadas junto à superfície da membrana, do aumento de concentração correspondente resulta uma elevação da pressão osmótica e, assim, uma redução do fluxo de solvente, bem como um aumento das perdas de soluto.
Atualmente existem vários tipos de membranas osmóticas desenvolvidas, decorrentes do avanço tecnológico no tratamento e reaproveitamento da água de rejeito industrial, tais como: acetato de celulose, poliamidas aromáticas-aramidas, poliamidas hidrazidas, (por serem fibras finas e ocas, possui uma, estrutura, mais fechada, possibilitando trabalhar com água do mar com salinidade de 45.000 ppm), poliamida de composição avançada e polisulfonas.
A água se movimenta da condição de maior potencial para a condição de menor potencial, buscando o estado de equilíbrio. Considerando que o potencial da água é dado pela Eq. 1, mantendo-se constantes os demais componentes, à exceção do potencial osmótico (Φos), a água se movimentará de onde o módulo de seu potencial osmótico for menor para onde for maior, já que este componente é sempre negativo. em que: 
Φt – potencial total
 Φg – potencial gravitacional 
ΦP – potencial de pressão
 Φm – potencial mátrico 
Φos – potencial osmótico
Quando uma solução diluída é colocada em contato com uma solução concentrada, ocorre a movimentação dos íons em direção à solução diluída e a movimentação de água pura em direção à solução mais concentrada. A este fenômeno se dá o nome de difusão. Quando a difusão se processa por meio de uma membrana semi-permeável, que deixa passar a água mas não os solutos, chama-se de osmose a saída da água pura em direção à água concentrada. A pressão necessária a ser aplicada para evitar a osmose, é chamada pressão osmótica a qual, é quantificada como a diferença de nível entre as duas soluções após se atingir o equilíbrio. Considerando-se que o interesse seja aumentar o volume da água pura (dessalinização), dever-se-ia aplicar uma pressão extra, superior à pressão osmótica, capaz de suplantar o potencial osmótico da solução mais concentrada, fazendo sair dela água pura em direção à solução menos concentrada. Como neste caso a água pura se estaria movimentando em sentido contrário ao sentido natural da osmose dá-se, a este processo, o nome de osmose reversa ou osmose inversa. Para a dessalinização por osmose reversa, portanto, dois aspectos são fundamentais: a existência de fonte de energia para vencer o potencial osmótico da água salina, ou seja, para ‘inverter a direção’ que ocorreria na osmose, e a qualidade da membrana semi-permeável que irá separar os sais. Para quantificar e qualificar águas potável e rejeito, diversas equações são utilizadas. Para aumentar a eficiência da dessalinização pode-se, além de utilizar membranas mais eficientes, trabalhar com diferentes estruturas de produção. Independente da eficiência da membrana e da estrutura instalada, o sistema de osmose reversa produzirá sempre a água potável, mas também a água residuária (rejeito, salmoura ou concentrado). Considerando-se o poder poluente do rejeito, altamente salino, deve-se almejar a melhor escolha para sua destinação, especialmente porque quase sempre os cursos d’água e o solo são os principais meios para sua disposição.
Os materiais da membrana influenciam na definição dos parâmetros operacionais do sistema de tratamento como um todo, em função de algumas restrições referentes à resistência destes materiais.
Imagem 2: Sistema de osmose reversa
Com relação aos tipos de módulos de osmose reversa existem disponíveis no mercado quatro configurações básicas: a tubular, o do tipo placa, o módulo enrolado em espiral e a do tipo fibra oco. Os módulos tubulares e em placa foram os primeiros a serem utilizados no inicio do desenvolvimento da tecnologia da osmose reversa sendo que os sistemas que fazem uso destes tipos de módulos envolvem um alto investimento inicial e apresentam uma baixa densidade de empacotamento da membrana, a relação entrea área superficial da membrana por unidade de volume do sistema, sendo aplicados em sistemas que operam com águas ou soluções com alta concentração de material em suspensão, como por exemplo, em indústrias alimentícias. 
Os módulos enrolados em espiral, mais utilizados atualmente, são constituídos por duas camadas de membranas que são coladas nos lados opostos de um tecido espaçador, conhecido como espaçador do canal de permeado. O envelope formado é enrolado ao redor de um tubo perfurado, colocado no interior do canal de permeado, colocando-se uma tela plástica externamente ao envelope, de forma a obter um canal para a corrente de alimentação.
Imagem 3: Desenho esquemático da estrutura de um módulo em espiral
Já nos módulos em fibra oca, as membranas são processadas de forma a serem obtidos tubos capilares muito finos, os quais são montados no interior dos vasos de pressão. Tanto os módulos enrolados em espiral, como os de fibra oca, apresentam uma elevada densidade de empacotamento, tendo como desvantagem a possibilidade da ocorrência de entupimento, que dificilmente são revertidos pelos métodos convencionais de limpeza.
No caso da pressão, o processo de osmose reversa é influenciado tanto na quantidade, como na qualidade da água produzida, ou seja, com o aumento da pressão na alimentação do sistema, ocorre um aumento o fluxo de água através da membrana e uma redução na concentração de sólidos totais dissolvidos no permeado, o que significa dizer que ocorre um aumento na taxa de rejeito de sais. Com relação à temperatura da água de alimentação do sistema, também se observa uma variação na taxa de produção de permeada, bem como na taxa de rejeito de sais só que, neste caso, ao contrário do que ocorre com o aumento da pressão, a taxa de rejeito de sais do sistema de osmose reversa é reduzida, ocorre uma piora da qualidade do permeado.
A recuperação de água em um sistema de osmose reversa é definida pela relação entre o fluxo de permeada e o fluxo de água alimentado ao sistema. Com o aumento da recuperação de água o fluxo de permeado através da membrana vai diminuindo e finalmente é interrompido, quando a concentração salina atinge um valor onde a pressão osmótica do concentrado é superior à pressão aplicada na corrente de alimentação. A taxa de rejeição de sais também é reduzida com o aumento da recuperação de água
A osmose reversa é um processo que permite a remoção dos sólidos dissolvidos de um determinado efluente por meio da filtração através de uma membrana semipermeável, sob pressão superior à exercida pela pressão osmótica dos sólidos dissolvidos no líquido a ser filtrado. Dependendo desta pressão osmótica, a pressurização no processo pode variar desde pressões relativamente baixas, de 3 a 5 bar, até 50ou 60 bar de pressão, podendo, inclusive, superar estes valores. As membranas são constituídas por um polímero semipermeável, eficiente na retenção de sólidos, com dimensões compreendidas entre 0,002 a 10,0 µm. Essas características fazem com que haja a necessidade de um pré- tratamento do afluente à unidade de osmose reversa, como a filtração com areia e carvão ativado, por exemplo.
 Entende-se por osmose a difusão de um líquido através de uma membrana semipermeável (no caso ideal, permeável apenas ao solvente e não ao soluto) separadora de duas soluções com diferentes concentração. O fluxo líquido é da solução mais diluída (a qual tem uma maior concentração em solvente) para a mais concentrada, isto é, no sentido tendente a igualar as concentrações. O nível líquido sobe na solução mais concentrada e a diferença de pressão hidrostática resultante contraria o fluxo osmótico. 
Uma situação será eventualmente atingida em que a referida diferença de pressão anula o fluxo do fluído; esta toma o nome de pressão osmótica da solução se esta estiver separada, pela membrana semipermeável, do solvente puro. A pressão osmótica de uma solução pode, portanto, ser definida como a diferença de pressão requerida para produzir um fluxo nulo de solvente para a solução.
Um outro problema associado a esta técnica (bem como a ultrafiltração) resulta da acumulação de moléculas de soluto rejeitadas junto à superfície da membrana; do aumento de concentração correspondente resulta uma elevação da pressão osmótica e, assim, uma redução do fluxo de solvente, bem como um aumento das perdas de soluto. A osmose inversa tem atualmente já considerável aplicação na purificação e concentração de soluções. Tratamento de água para caldeiras, pré – tratamento para desionizadores, remoção de bactérias e vírus, purificação de água do mar e de esgotos fabris constituem exemplos de aplicação de osmose inversa. Elevados valores de rejeição de sais são, em geral, manifestados pelas membranas utilizadas. 
A solução a concentrar, sob pressão, é colocada, em geral, no exterior das fibras podendo o interior ser submetido a vácuo parcial (a elevada pressão com freqüência exigida em osmose inversa não permite a inclusão do retentado no interior das fibras dada a possibilidade de rebentamento destas).
As moléculas de solvente e de solutos de pesos moleculares inferiores difundem-se através da membrana (por osmose inversa e por diálise, respectivamente), deste modo concentrado a solução nos solutos de maiores pesos moleculares. Assim, por exemplo, a osmose reversa permite aumentar apenas a concentração de proteínas requeridas (concentração acompanhada de separação) ao passo que por liofilização aquele aumento de concentração é acompanhado por correspondentes aumentos das concentrações de espécies não desejadas, tais como sais, peptídeos e aminoácidos. 
Os processos de pós-tratamento são, normalmente, empregados com os objetivos de adequar as características do produto obtido na unidade de osmose reversa, aos requisitos estabelecidos para o seu uso final. Dependendo das exigências, os processos necessários podem consistir em um simples ajuste do pH e desinfecção da corrente produzida na unidade de osmose reversa, ou então, a utilização de um processo de troca iônica para obtenção de água ultra pura, o que deverá ser especificado pelo responsável pela implantação do sistema. Portanto, o bom funcionamento da osmose reversa é em função dos gradientes de concentração e pressão, entre a água salinizada, denominada rejeito, e a água produzida, denominada permeado.
Indústria Automotiva
A indústria deste estudo de caso está situada na RMC – Região Metropolitana de Curitiba – e atua em diferentes áreas, fornecendo desde componentes, serviços de pintura, estruturas metálicas e os bancos automotivos completos. Seu processo de fabricação e pintura ocorre com a entrega das estruturas metálicas dos bancos já estampadas pelos fornecedores onde estas peças recebem banhos para desengraxe em um TTS – Túnel de Tratamento de Superfície e posteriormente seguem para tanque de imersão onde recebem a pintura pelo processo cataforético.
Foi utilizado o efluente final da estação de tratamento de efluentes de indústria metal-mecânica, ou seja, efluente coletado da saída da lagoa de polimento.
Para viabilizar o processo de filtragem do efluente por osmose reversa foi utilizado um tanque de alimentação com sistema de filtração acoplado a uma unidade de osmose reversa. Esta unidade de bancada possuía as seguintes características: 
• Tanque de alimentação com capacidade para 20 litros contendo válvula de drenagem; 
• Bomba 1: tipo centrífuga de baixa potência, marca Sictell cód 290429, tensão 110V, freqüência 60Hz e potência 36 Watts; 
• Filtro de polipropileno, marca Pentek Filtration, modelo POLYDEPTH® PD-5-934 com faixa de operação em 5 µm, seguido de válvula de esfera de ½” para coleta de efluente; 
• Bomba 2: tipo diafragma, marca Deng Yuan, modelo TYP-2600, ten são AC 220V / 24V DC, freqüência 50/60 Hz, pressão de 5,51 bar e fluxo aberto em 1,6 L/min; 
• Filtro cartucho de carvão ativado em pó, marca Pentek Filtration, modelo Deluxe C-Séries C1, faixa de operação em 5 µm usado para filtragem de cloro livre; 
• Membrana de osmose reversa, marca CSM®, modelo RE1812-80,tipo TFC (Thin Film Composite) em poliamida enrolada em espiral, carga superficial negativa, rejeição ao NaCl em 96% e porosidade b 0,0001 µm;
 • Medidor de vazão/rotâmetro marca CENCO, n.º 20.730, série n.º 385.634 com escala de 0 a 15 L.O2 /min posicionado na saída do permeado para aferição da vazão. A imagem 4 apresenta o fluxograma da configuração do sistema durante os dois testes
Imagem 4: Fluxograma da unidade de bancada de osmose reversa
Foram realizados dois testes, sendo o primeiro (Teste 01) com a utilização do filtro cartucho de carvão e o segundo (Teste 02) sem este filtro. Estas configurações foram propostas para poder avaliar se o filtro cartucho de carvão estaria ou não auxiliando na filtração. Então, efetuou-se a limpeza do sistema e a determinação da vazão de projeto. Após filtrou-se o efluente por 180 minutos coletando amostras do permeado com 15, 30, 60, 90, 120 e 180 minutos para caracterização.
Na osmose reversa, tanto o teste 01 com filtro cartucho de carvão, como o teste 02 sem este filtro, o permeado apresentou ótima qualidade, tendo o teste 02 uma eficiência de remoção ainda maior. Durante os 180 minutos do teste 02 o pH ficou neutro e os coliformes totais e fecais tiveram remoção de 100% durante todo o teste, comprovando a capacidade de desinfecção da tecnologia. A turbidez obteve remoção média de 96%, a condutividade 95%, e a DQO e cor de 98%. Para o CT, COT e CI houve remoção de 98%, 100% e 97% respectivamente. Para os ST, SST e SDT houve redução de 97,5%, 100% e 97,5% respectivamente (ver Tabela 5).
Para o caso do efluente filtrado por osmose reversa, observou-se que, tanto o permeado do teste 01 como do teste 02 apresentaram muito bons resultados em comparação aos requisitos adotados na Tabela 2. Os parâmetros, pH, turbidez, cor, DQO, DBO, ST, SST, SDT, coliformes totais e coliformes fecais tanto do teste 01 como do teste 02, atenderam plenamente as quatro categorias propostas para reúso . Pode-se afirmar ainda, que as concentrações de DQO e DBO destes efluentes filtrados estão abaixo do limite de 15 mg/L para DQO e 10mg/L para DBO e estariam aptos a serem usados diretamente como água de alimentação para o tanque de imersão da pintura cataforética. Para a condutividade, a média de 73 µS/cm para o teste 01 e de 53 µS/cm para o teste 02, permitiria o reúso em torres de resfriamento e para as demais finalidades propostas, uma vez que não há diretrizes especificadas para os demais locais de reúso.
Conclusão
A osmose reversa é um processo de separação de substâncias através de uma membrana que retém o soluto. O solvente flui do meio mais concentrado para o menos concentrado e isola-se do soluto, por uma membrana que permite a sua passagem.
É um processo inverso ao que ocorre naturalmente durante a osmose, onde a água flui de um meio menos concentrado (hipotônico) para outro mais concentrado (hipertônico). Na osmose reversa, o soluto é forçado a passar para o meio menos concentrado. Isso só é possível graças à pressão exercida, fazendo com que a membrana semipermeável permita apenas a passagem da água, retendo o soluto. Para que isso aconteça é necessária a aplicação de uma pressão maior do que a pressão osmótica natural.
Durante a osmose reversa, até 99% dos solutos de baixo peso molecular como os sais ou moléculas orgânicas simples são retidos. Também podem ser isoladas bactérias, vírus e outros tipos de sólidos dissolvidos, purificando a água.
O maior uso da osmose reversa é para a dessalinização da água do mar. Esse é um procedimento importante para solucionar o problema da falta de água potável em alguns locais do mundo.
Pôde-se concluir que as tecnologias de adsorção com carvão ativado e filtração por osmose reversa forneceram os melhores resultados em termos de qualidade do efluente para reúso.
Referências
FERRARO, Ronaldo José Silva. SISTEMA DE OSMOSE REVERSA. Campinas, São Paulo 2008.
SCAPINI, Luciana. AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DA OSMOSE REVERSA E DA TROCA IÔNICA PARA TRATAMENTO DE EFLUENTE DE CURTUME (AIMORÉ COUROS LTDA – ENCANTADO) VISANDO A REUTILIZAÇÃO DA ÁGUA. 2007.