TRATAMENTO DE ÁGUA EMPREGANDO A OSMOSE REVERSA E A ELETRODIÁLISE

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1 TRATAMENTO DE ÁGUA EMPREGANDO A OSMOSE REVERSA E A ELETRODIÁLISE Carla Denize Venzke 1 *; Luciana Ely Bacher 2 ; Marco Antônio Siqueira Rodrigues 3 ; Júlia Striving 4 ; Cheila Viegas 5 Resumo Em reservatórios de água subterrânea a qualidade físico-química, muitas vezes, é irregular por conter contaminantes inorgânicos. No Brasil, especificamente no sul, onde está localizado o "Aquífero Guarani" a concentração de flúor está acima do limite estabelecido pela legislação (3,1 mg L -1 ) tornando-as impróprias para o consumo humano. Desta forma, a osmose reversa (RO) e a Eletrodiálise (ED) surgem como técnicas promissoras para remover estes contaminantes e produzir uma boa qualidade de água. Assim, o objetivo do presente estudo foi avaliar a aplicação das tecnologias de ED e RO na remoção de íons de fluoreto, cloreto, nitrato, sulfato, sódio e cálcio, a partir de uma solução. Os ensaios foram realizados com uma solução de 50 mgl -1 de sulfato de sódio e 8 mg L -1 de fluoreto de sódio, em equipamentos de eletrodiálise, modelo EDR 2, E 1s 2e, com uma pilha de 150 membranas íons seletivas e um sistema piloto de RO, modelo membranas Pam Seletiva. O teor de fluoreto restante na água tratada pelo sistema de OR foi de apenas 0,07 mg.l -1 e na ED foi de 1,21 mgl -1. Em suma, é enfatizado que a OR e ED são tecnologias promissoras na produção de água sem contaminantes. Palavras-chave: Osmose Reversa, Eletrodiálise, Remoção de flúor TREATMENT OF WATER PRODUCTION EMPLOYING ELECTRODIALYSIS AND REVERSE OSMOSIS Abstract In groundwater reservoirs, physicochemical quality often is irregular due to the fact that it contains inorganic contaminants. In Brazil, specifically in the south, where the "Guarani Aquifer" is located, it appears that fluoride concentrations were above the limit established by law (3.1 mg L -1 ) making them unfit for human consumption. This way, the Reverse Osmosis (RO) and Electrodialysis (ED) appear as promising techniques to remove these contaminants and produce good quality water. Thus, the aim of the present study was to evaluate the application of ED and RO technologies in removing fluoride ions, chloride, nitrate, sulfate, sodium, and calcium from the solution. Assays were performed with a solution of 50 mgl -1 sodium sulfate and 8 mgl -1 of sodium fluoride, in reverse Hidrodex equipment EDR model E 1s 2e, with stack 01 of membranes 150 ionselective and RO pilot system, model Pam Selective Membranes. The remainder of the water treated by the RO system was 0.07 mgl -1 and in the ED it was 1.21 mgl -1. In short, it is emphasized that the Reverse Osmosis and Electrodialysis appear as truly promising technologies in producing water without contaminants. Keywords: Reverse osmosis, Electrodialysis, removal of fluoride 1 Universidade Feevale, carladenize@gmail.com 2 Universidade Feevale, luciana_bacher@yahoo.com.br 3 Universidade Feevale, marcor@feevale.br 4 Universidade Feevale, juliastriving@yahoo.com 5 Universidade Feevale, cheila@feevale.br Autor Correspondente XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO Em reservatórios de águas subterrâneas a qualidade físico-química, muitas vezes, é irregular por conter contaminantes inorgânicos, o que inviabiliza o uso para o consumo humano. De acordo com Amini et al. (2008), altas concentrações de flúor podem ser naturalmente encontradas em águas subterrâneas, o que ocorre em diversas localidades da América do Sul, da África (incluindo países como Egito, Líbia, Argélia, Sudão e Quênia) e da Ásia (principalmente na Síria, Jordânia, Turquia, Iraque, Irã, Afeganistão, Índia, Tailândia e China). Nessas áreas, tem sido relatada grande incidência de fluorose, que atinge mais de 70 milhões de pessoas. No Brasil, alguns estados das regiões centro-oeste, sudeste e sul apresentam concentrações acima do estabelecido pela legislação (1,5 mg.l -1 ). Na região sul do país, no chamado Aquífero Guarani, as concentrações de sulfato e fluoreto atingem, respectivamente, valores de 1200 mg.l -1 e 3,1 mg.l -1, tornando-as salobras e impróprias para o consumo humano Brião et al. (2014). Contudo, a sua ingestão em doses elevadas, ou seja, em mais de 1,5 mg.l -1, pode causar efeitos nocivos ao organismo, tais como a fluorese dentária, que se manifesta por dentes manchados (geralmente, mais esbranquiçados), e a fluorese esquelética, que, em casos mais brandos, pode causar o enfraquecimento da estrutura óssea, e, em situações mais graves, desencadear complicações neurológicas Edmunds e Smedley (2005); Fawell et al. (2006); Bhatnagar et al. (2011). A eletrodiálise (ED) emprega membranas íon-seletivas, isto porque os íons presentes, quando transportados através desse tipo de membrana, passam, por ação de um campo elétrico, de uma solução para outra, originando duas novas soluções: uma mais diluída e outra mais concentrada Solt (1971); Tanaka (2009). De acordo com Garud et al. (2011), a denominação osmose reversa (OR) é o processo onde ocorre a inversão do fenômeno natural da osmose, utilizando-se a aplicação de uma pressão então superior a pressão osmótica na solução concentrada, através de uma membrana semipermeável (permeáveis à água e impermeável ao contaminante). Dessa forma, o escopo da presente pesquisa foi avaliar a aplicação das tecnologias de eletrodiálise e de osmose reversa na remoção de íons fluoreto de uma solução, a fim de avaliar a extração de íons comparando a eficiência das duas técnicas aplicadas. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Solução Em um reservatório de água foi adicionada uma solução dissolvida de 50 mgl -1 de sulfato de sódio e 8 mg L -1 de fluoreto de sódio. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 2.2. Experimentos realizados na Eletrodiálise Para a realização dos experimentos foi utilizado um sistema piloto de eletrodiálise reversa da Hidrodex, modelo EDR 2, E 1s 2e com 01 Stack complementar de 300 1E 1s 2e com 150 membranas eletrodialíticas, 150 espaçadores de polipropileno e dois eletrodos de platina (Hidrodex, 2014). A condição ideal encontrada para a realização do ensaio foi uma corrente de 0,6 A, com uma densidade de corrente de 0,24 ma.cm -2 e potencial de 70V, em uma pressão da entrada de alimentação a 2 psi, sendo a vazão de produto de 150 L.h -1, com recirculação total, e a vazão de rejeito foi de 50 L.h -1. Outrossim, o tempo de ensaio foi de 180 minutos, tendo por meta a avaliação da eficiência do sistema para a remoção do Flúor Análises As amostras foram analisadas por cromatografia iónica em Dionex Ion Cromatógrafo ICS 3000A 2.4. Experimentos realizado na Osmose Inversa Efetuou-se os testes de permeação no equipamento de OR, modelo PAM, com pressão operacional máxima de 25 bar, com capacidade produtiva de 0,25m³/h, composto por um módulo de membrana espiral da marca Dow Filmetec Membranes, modelo BW 30 (4040), composta de poliamida, com uma área de membrana equivalente a 7,2m². A compactação da membrana foi realizada por circulação de água sob pressão de 15 bar durante 180 minutos. Para os ensaios de permeabilidade hidráulica, o fluxo de água permeada através da membrana foi medido em pressões de 3, 5, 8, 10 e 15 bar. Com estes valores foram obtidas curvas de fluxo permeado versus pressão, determinando-se a permeabilidade hidráulica pelo coeficiente angular da reta. Com a estabilização do sistema de permeação à vazão constante, sob a pressão de operação a 12 bar, e uma temperatura constante de 25 ºC, recolheu-se 2 alíquotas de 500ml do permeado e da alimentação após 60 minutos, com o objetivo de analisar a concentração de fluoreto de sódio rejeitado pela membrana, visando, assim, o cálculo da rejeição do soluto da membrana estudada. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Solução A tabela 1 mostra a caracterização da solução utilizada e os limites estabelecidos pela (Portaria n. 2914/2011) que dispõe sobre a qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Percentagem Tabela 1: Caracterização da solução utilizada e os limites estabelecidos pela legislação. Parâmetros Unidade Concentração Limite Fluoreto mgl -1 8,95 1,5 Cloreto mgl -1 4, Nitrato mgl -1 7,02 10 Sulfato mgl , Sódio mgl -1 81, Cálcio mgl -1 11,68 - Condutividade μs/cm De acordo com a tabela 1, nota-se que o fluoreto está bem acima da legislação. Assim, fica claramente evidenciado a necessidade de tratar a água para torná-la própria para consumo Extração Percentual para a Eletrodiálise Fluoreto Cloreto Nitrato Sulfato Sódio Cálcio Gráfico 1. Extração percentual dos íons de fluoreto, cloreto, nitrato, sulfato, sódio e cálcio para o experimento com uma densidade de corrente constante 0,24 ma.cm -2. Tempo de ensaio: 180 min. Como visto no gráfico 1, os resultados indicaram um ótimo desempenho da ED, obtendo uma extração iônica bastante elevada, superior a 84% dos íons presentes na solução. De acordo com a proposta desta pesquisa, que foi analisar a remoção de íons de fluoreto, resta evidenciado que, neste experimento, a técnica aplicada é indicada para remover-se o fluoreto de águas com concentrações elevadas, uma vez que o índice desta substância reduziu para 1,21 mg.l -1. Ademais, deve-se ter em conta que tal redução é relativamente considerável, à medida que Ministério da Saúde, para o XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Percentagem padrão de potabilidade da água), determina que o limite máximo de flúor não deve ultrapassar 1,5 mg.l Extração Percentual para a Osmose Reversa O gráfico 2, apresenta as extrações percentuais (Ep%) dos íons fluoreto, cloreto, nitrato, sulfato, sódio, potássio e cálcio com uma permeação à vazão constante, sob a pressão de operação a 12 bar Fluoreto Cloreto Nitrato Sulfato Sódio Cálcio Gráfico 2. Extração percentual dos íons de fluoreto, cloreto, nitrato, sulfato, sódio e cálcio para o experimento com uma pressão de 12 bar. Tempo de ensaio: 60 min. No gráfico acima estão demonstradas as Ep% para os íons de fluoreto, cloreto e nitrato, sulfato, sódio e cálcio de 99%, 80%, 85%, 100%, 99%, e 80%, respectivamente. Todos os resultados apresentaram uma remoção superior a 80% dos íons presentes na solução. Neste experimento, o teor de fluoreto restante na água tratada pelo sistema de OR foi de apenas 0,07 mg.l -1, quando a legislação para potabilidade permite até 1,5 mg.l -1 para águas doces destinadas ao abastecimento humano. Nesse sentido, para com a remoção de íons fluoreto de águas subterrâneas e superficiais, constatou-se que a osmose inversa é uma tecnologia consideravelmente mais eficaz Caracterização da membrana de Osmose Reversa A caracterização da membrana foi realizada através da compactação e da permeabilidade hidráulica. Para tanto o processo de compactação da membrana possibilitou avaliar o comportamento do fluxo ao longo deste procedimento, bem como identificar o tempo necessário XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Fluxo (L.m -2.h -2 ) Fluxo (L m-2 h-1) para atingir a estabilidade. Como pode ser visto no gráfico 3, atingiu-se a estabilidade aos 140 minutos. De acordo com Streit (2009), o objetivo da compactação é realizar o adensamento da microoestrutura da membrana, para que isso não aconteça durante os ensaios, levando a conclusões errôneas sobre fenômenos inerentes a esses processos, como o fouling, por exemplo. 70,0 Compactação da Membrana a 25 C 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Tempo (min) Gráfico 3. Compactação da membrana de osmose reversa. O gráfico 4 apresenta os fluxos de permeação versus a pressão transmembrana durante os ensaios de OR com a membrana BW 30 (4040), Pode-se notar que a relação fluxo versus pressão transmenbrana é linear, ou seja, o fluxo do permeado aumentou linearmente com a pressão, como esperado, uma vez que o fluido utilizado (água pura) é livre de contaminantes (material suspenso e dissolvido). Scott (1997) afirma que, as medidas de permeabilidade permitem quantificar o fluxo de permeado nas condições de operação do processo, bem como avaliar a rejeição da membrana aos solutos de interesse. Permeabilidade Hidráulica y = 4,9744x R² = 0, Pressão (bar) Gráfico 4. Variação do fluxo do permeado (Vp) da solução de água versus pressão transmembrana ( P). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 4. Considerações Finais Em suma, ressalta-se que a osmose inversa e a eletrodiálise figuram como tecnologias deveras promissoras na produção de água, posto que ambos os processos são capazes de remover contaminantes inorgânicos satisfatoriamente, tais como o flúor, bem como atender à conformidade da atual legislação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMINI, M.; MUELLER, K.; ABBASPOUR, K.C., ROSENBERG, T.; AFYUNI, M.; MØLLER, K.N.; SARR, M.; JOHNSON, C.A. (2008) Statistical modeling of global geogenic fluoride contamination in groundwaters. Environ. Sci. Technol. v. 42, pp BHATNAGAR, A.; KUMAR, E.; SILLANPÄÄ, M. (2011) Fluoride removal from water by adsorption - a review. Chem. Eng. J. v. 171 pp BRIÃO, V. B.; MAGOGA, J.; HEMKEMEIER, M.; BRIÃO, E. B.; GIRARDELLI, L. SBEGHEN, L. FAVARETTO, P. C. D. (2014) Reverse osmosis for desalination of water from the Guarani Aquifer System to produce drinking water in southern Brazil. Desalination, pp EDMUNDS, W.M.; SMEDLEY, P. (2005) Fluoride in natural waters. Essentials of smedical geology: impacts of the natural environment on public health. In: Selinus, O, Alloway, B, Centeno, J.A. (Eds.). Academic Press, US, pp FAWELL, J.; BAILEY, K.; CHILTON, J.; DAHI, E.; FEWTREL, L.; MAGARA, Y. (2006) Fluoride in drinking water. London World Health Organization. GARUD, R.M., KORE, S.V., KULKARNI, G.S. (2011) A short review on Process and Application os Reverses Osmosis. Universal Journal of Environmental Research and Technology, vol. 1, pp HIDRODEX. Hidrodex engenharia e perfuração. Disponível em: < Acesso em: 06 fev MINISTÉRIO DA SAÚDE. PORTARIA Nº 2.914, DE 12 DE DEZEMBRO DE Disponível em: < Acesso em: 06 fev SCOTT, K. (1997) Handbook of industrial membranes. Elsevier Advanced Technology, 1. ed., 912 p. SMEDLEY, P.L.; NKOTAGU, H.; PELIG-BA, K.; MACDONALD, A.M.; TYLER-WHITTLE, R.; WHITEHEAD, E.J.; KINNIBURGH, D.G. (2002) Fluoride in Groundwater from High-fluoride Areas of Ghana and Tanzania. British Geological Survey, Nottingham. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 SOLT, G. S. (1971) Electrodialysis. Elsevier, pp In: Industrial Electrochemical Processes. Amsterdam: STREIT, K.F. et al. (2009) Ultrafiltration/nanofiltration for the tertiary treatment of leather industry effluents. Environmental Science & Technology, v. 43, pp TANAKA, Y. (2009) A computer simulation of continuos ion exchange membrane electrodialysis for desalination of saline water. Desalination, pp XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8