Uniterms: Reverse osmosis, water treatment, membrane separation process.

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1 CONTROLE DE QUALIDADE DA ÁGUA DO AÇUDE EPITÁCIO PESSOA NA CIDADE DE CAMPINA GRANDE PB TRATADA POR MEMBRANAS DE OSMOSE INVERSA Julyanna Damasceno Pessoa 1, José Theódulo Fernandes Neto 2, Bruna da Silveira Guimarães 3, Deydeby Illan Santos Pereira 4, Robson Rogaciano Fernandes da Silva 5, Francisco Rubens Macedo de Queiroz 6 RESUMO Processos de separação por membranas, especialmente a Osmose Reversa, é uma tecnologia utilizada para o tratamento de águas de abastecimento pela possibilidade de obtenção de águas com melhor qualidade em estações de tratamento mais compactas, de fácil automação, com menor geração de rejeito e custo competitivo em relação ao sistema convencional de tratamento. A presente pesquisa avaliou o desempenho do processo de Osmose Reversa no tratamento de água da rede distribuidora da cidade de Campina Grande Paraíba, Cagepa, cuja água é oriunda do Açude Epitácio Pessoa, tratando a água sob os pontos de vista do desempenho operacional de produção de água e remoção de sais presentes impedindo sua utilização. O sistema operou por 4320 horas, de março a setembro de 2011, produzindo um valor padrão para a vazão do permeado de 833,33 L/min e do concentrado de 208,33 L/min, a pressão transmembrana permaneceu constante, com um valor de 15 Kgf/cm². A razão da água de alimentação convertida em água purificada (Recuperação) permanece numa faixa de 80%. Com relação a Porcentagem de Remoção de Sais (%) manteve-se entre uma faixa de 93 e 95%. Unitermos: Osmose Reversa, tratamento de água, processo de separação por membrana. ABSTRACT Membrane separation processes, especially reverse osmosis, is a technology used for the treatment of water supplies by the possibility of obtaining better quality water in treatment plants more compact, easy automation, with less waste generation and cost competitive compared to conventional treatment system. This study evaluated the performance of the process of Reverse Osmosis water treatment in the distribution of Campina Grande - Paraiba, Cagepa, whose water comes from the Weir Epitácio Pessoa, treating water from the points of view of operational performance production of water and removal of salts preventing its use. The system operated for 4320 hours, from March to September 2011, producing a default value for the permeate flow rate of L/min and the L/min concentrated, the transmembrane pressure remained constant with a value 15 kgf/cm ². The rate of feed water converted in purified water (Recovery) remains in the range of 80 %. Regarding the Removal of Salts Percentage (%) remained between a range of 93 to 95 %. Uniterms: Reverse osmosis, water treatment, membrane separation process. 1 Mestranda em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande julyanna_pessoa18@yahoo.com.br; 2 Doutorando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande fernandoquimico@hotmail.com.br; 3 Engenheira Química pela Universidade Federal de Campina Grande brunasilveiraguimaraes@hotmail.com; 4 Mestrando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande deydiby@hotmail.com; Mestrando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande robsonsfr@hotmail.com ; 6 Doutorando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande franciscorubensmacedo@yahoo.com.br

2 INTRODUÇÃO Silva et al. (2009) destacam a importância da água para a vida no planeta e que o desenvolvimento da humanidade não teria sido possível sem a existências de tal composto. Devido ao mau uso e má distribuição, a água está se tornando escassa em várias regiões do planeta. Mais especificamente no nordeste brasileiro, que está localizado na sua maioria em território constituído por rochas cristalinas, possui mananciais hídricos com teores de salinidade inadequados ao consumo humano. É importante destacar que as regiões secas do Brasil, como por exemplo, o semi-árido paraibano, não tem muita disponibilidade de fontes de águas superficiais, em decorrência dos baixos índices pluviométricos. Desse modo, pode-se destacar a importância do tratamento prévio da água garantindo, assim a viabilidade para consumo da água. Devido à escassez de água potável nos últimos anos em todo o mundo, fez-se necessário explorar métodos de dessalinização de águas salobras e de água do mar, com o objetivo de remover os sais presentes na água, tornando-a potável. Entre os processos de dessalinização disponíveis, a osmose inversa tem sido de grande aplicabilidade. Os problemas de escassez hídrica decorrem, fundamentalmente, da combinação entre o crescimento exagerado das demandas localizadas e da degradação da qualidade das águas. Esse quadro é consequência dos desordenados processos de urbanização, industrialização e expansão agrícola. Uma membrana pode ser descrita como uma barreira semipermeável de separação física entre duas fases, evitando contato íntimo entre elas. Processos de separação por membranas caracterizam-se pela passagem de uma suspensão ou solução através de uma membrana, ocorrendo separação seletiva dos componentes, sob o efeito de uma força motriz que proporcione o transporte de matéria. Os processos de separação utilizando membranas ocorrem devido à existência de uma força motriz. Nos processos de separação por membranas como: Microfiltração, Ultrafiltração, Nanofiltração e Osmose Inversa a força motriz é o gradiente de pressão. (ARMOA; JAFELICCI, 2011). Os processos de separação por membranas são conhecidos, basicamente, por microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose reversa e são tecnologias emergentes no tratamento de águas pela possibilidade de obtenção de águas com melhor qualidade em estações de tratamento mais compactas, mais fáceis de serem automatizadas, com menor geração de lodo e custo competitivo em relação aos sistemas convencionais de tratamento. Desse modo, constituem-se em alternativas potenciais para o tratamento de água de mananciais degradados, localizados em regiões com pouca disponibilidade de terreno, como no caso das áreas densamente urbanizadas das grandes metrópoles (OLIVEIRA, 2010). Na Figura 1 tem-se o princípio do sistema de osmose inversa. Figura 1: Princípio do sistema de osmose inversa.

3 Uma membrana pode ser definida como um filme fino sólido que separa duas soluções e que atua como barreira seletiva para transporte de componentes destas soluções, quando aplicado algum tipo de força externa. Em princípio, qualquer material que permita a síntese de filmes com porosidade controlada pode ser utilizado para fabricação de membranas. Na prática, entretanto, o mercado de tratamento de água é dominado por membranas fabricadas com polímeros orgânicos. O alto custo de fabricação ainda restringe o uso de membranas inorgânicas (cerâmicas de óxidos de zircônio, alumínio ou titânio, aço inoxidável) em nível de mercado que envolve tratamento de soluções agressivas (ph muito alto ou muito baixo), de temperaturas altas ou de vapor agregado (Schneider & Tsutiya, 2001). A separação com a utilzação de membranas pode ocorrer por diferença na interação dos permeantes com o material que forma a membrana, por um mecanismo de sorção-difusão ou por exclusão devido à diferença de tamanho entre as partículas ou moléculas. No primeiro caso considera-se as membranas densas, onde o transporte dos permeantes se dá por processos difusivos entre os espaços intersticiais do material de que a membrana é formada. No segundo caso as membranas são consideradas porosas, ocorrendo o transporte através dos poros, na maioria das vezes, predominando o mecanismo de transporte conectivo. Dito isso, é importante destacar que a escolha de determinanda membrana em detrimento de outra depende basicamente de sua morfologia e do material que a constitui (Costa, 2009). Costa (2009) afirmam que o processo de separação por osmose inversa é empregado quando os solutos com baixa massa molar devem ser retidos, por exemplo sais inorgânicos dissolvidos e pequenas moléculas orgânicas. Foi empregado o nome osmose inversa pelo fato de que no processo o fluxo permeado ocorre no sentido contrário ao sentido do fluxo osmótico normal. O funcionamento de tal processo se dá quando duas soluções que possuem concentrações diferentes são separadas por uma membrana permeável ao solvente e praticamente impermeável ao soluto. O solvente vai permear a membrana no sentido do meio mais diluído para o mais concentrado, até que se atinja o equilíbrio termodinâmico (igualdade de potenciais químicos) dos componentes em cada fase. Observa-se que um equilíbrio dinâmico é mantido para o transporte do solvente através da membrana. É contatado que a osmose inversa é provocada quando é aplicada na solução mais concentrada uma pressão maior que sua pressão osmótica. Por isso, para que o equilíbrio seja restabelecido o solvente difunde no sentido da solução mais concentrada para a menos concentrada. Observa-se que a pressão de operação é bem elevada, podendo atingir valores próximos de 15 a 80 bar, dependendo da solução a ser processada. O processo de separação por osmose inversa tem se mostrado uma tecnologia bem vista no âmbito industrial e de tratamento de água, já que remove contaminantes indesejáveis. O objetivo do trabalho foi analisar a quantidade da água da distribuidora CAGEPA antes e depois do tratamento, utilizando membrana cerâmica de osmose inversa. MATERIAIS E MÉTODOS Primeiramente é importante destacar que um pré-tratamento adequado da água de alimentação de um sistema de osmose inversa é um importante fator para a operação bem sucedida do processo de dessalinização de água. Tal procedimento, realizado na água de alimentação, proporciona um intervalo de tempo maior nas limpezas químicas do sistema.

4 O pré-tratamento teve como objetivo prevenir sólidos suspensos, contaminação orgânica (controle microbiológico), formação de incrustação por sólidos suspensos, degradação da membrana (cloro, ferro, alumínio, bário). No primeiro tratamento destaca-se o filtro de areia, que tem a finalidade de remover sólidos grosseiros em suspensão que possam vir na água bruta. Possui um formato cilíndrico vertical, com a entrada de água bruta por cima e com saída de água filtrada por baixo. O leito do filtro é constituído de pedregulho e areia disposto em camadas. Depois foi utilizado o filtro de carvão ativo para retirar o cloro livre residual presente na água vinda do filtro de areia. Tal filtro também possui uma forma cilíndrica e seu leito é constituído de uma pequena camada de pedregulho e outra camada mais espessa de carvão ativo. Logo após a água passou por dois sistemas de filtros de cartuchos de 3µ. Os sistemas são constituídos por uma carcaça de aço inox, cada um contendo 12 elementos filtrantes de fibra de polipropileno. A unidade dosadora de anti-incrustante a unidade dosadora consta de um tanque de 100 L e por uma bomba tipo diafragma de 45 W. O tambor que foi colocado antes das membranas da osmose inversa tinha o objetivo de evitar a incrustação de sais saturados na superfície das membranas. Na unidade dosadora de biocida o tambor foi colocado antes dos filtros de fibra de polipropileno. A unidade consta de um tanque (do próprio produto) e uma bomba dosadora com capacidade de injeção de 2,20 L/h, programada para dosar 4,0 ml/min. O objetivo da dosagem do biocida é evitar a proliferação bacteriológica no sistema. O produto dosado é o Kuriverter EC-504. A Figura 2 mostra o fluxograma do sistema de pré-tratamento e de dessalinização. Figura 2: Fluxograma do sistema de dessalinização utilizado. Na etapa seguinte foi utilizado um dessalinizador. O sistema era composto por um conjunto motor bomba de alta pressão que alimenta nove vasos permeadores, que estavam instalados em dois arranjos, sendo que o primeiro era constituído de 06 vasos em paralelo e o segundo de 03 vasos. Cada vaso continha seis membranas com alta capacidade de rejeição de sais da fabricante FILMTEC, BW de polisulfona e poliamida, que realizavam o processo de separação de sais dissolvidos presentes na água bruta, gerando uma corrente de água permeada e outra de água concentrada. Os vasos de pressão acondicionavam em seu interior as membranas, estes eram compostos de fibra de vidro com plástico reforçado para suportarem altas pressões. A

5 bomba de alta pressão tinha as seguintes especificações: Bomba centrífuga de 60cv da KSB. O sistema funcionava da seguinte forma. Os seis primeiros vasos de alta pressão foram alimentados e o concentrado gerado a partir destes vasos alimentava o segundo arranjo de três vasos de alta pressão. A linha do permeado do primeiro arranjo se juntava com a do segundo, o qual tomava seu destino para o reservatório de água industrial (tratada) que era utilizada pela empresa. Quanto ao concentrado final este vinha sendo armazenado em um tanque para as seguintes atividades: irrigação, limpeza de assoalho, etc. O sistema de dessalinização foi projetado para produzir 50 m³/h de água dessalinizada e 12,5 m³/h de concentrado, isso significa uma recuperação de 80%. A figura 3 mostra o esquema do processo. Figura 3: Arranjo do sistema de Dessalinização utilizado no processo. Com o objetivo de determinar quantitativamente os componentes constituintes de uma amostra de água, foram realizados os principais procedimentos experimentais e os cálculos relativos a essa determinação quantitativa. Os parâmetros físicos e químicos da água foram calculados de acordo com a metodologia do Standard Methods. Os parâmetros físicos foram a condutividade e o ph e os químicos foram cloreto total, ferro total, dureza e cloro-livre. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com relação ao efeito da dessalinização dos sais dissolvidos na água de alimentação as figuras de 4 a 8 mostram a variação da concentração de sais dissolvidos nas correntes de água potável, pré-tratada, permeada e concentrada em função do tempo.

6 Figura 4: Variação da concentração de sais dissolvidos nas correntes de água potável, pré-tratada, permeada e concentrada em função do tempo para o mês de março/13. Figura 5: Variação da concentração de sais dissolvidos nas correntes de água potável, pré-tratada, permeada e concentrada em função do tempo para o mês de abril/13. Analisando as Figuras 3 a 8, observa-se que ocorre uma visível diminuição na concentração média de sais dissolvidos na água do pré-tratamento e do permeado. Cabe ressaltar que o significativo aumento na concentração do cloreto no concentrado, ocorre devido à rápida aglomeração de todo concentrado do volume equivalente da água prétratada que entra na osmose e também à influência do anti-incrustante a base de fosfonato utilizado nas membranas aumento a aproximadamente 1000 ppm.

7 Figura 6: Variação da concentração de sais dissolvidos nas correntes de água potável, prétratada, permeada e concentrada em função do tempo para o mês de maio/13. Figura 7: Variação da concentração de sais dissolvidos nas correntes de água potável, prétratada, permeada e concentrada em função do tempo para o mês de junho/13. A corrente de permeado sai praticamente isenta de sais dissolvidos. Isso significa que o sistema operou dentro de uma faixa, onde os parâmetros de medida como pressão, vazão, concentração e recuperação permaneceram constantes.

8 Figura 8: Variação da concentração de sais dissolvidos nas correntes de água potável, prétratada, permeada e concentrada em função do tempo para o mês de julho/13. Fazendo o estudo dos parâmetros da água permeada em função do tempo, a Figura 9 apresenta o comportamento dos parâmetros - vazão do permeado (Qp), do concentrado (Qc), a pressão da alimentação (Pa) analisados na água dessalinizada via osmose inversa ao longo do tempo. Figura 9: Comportamento dos parâmetros analisados na água dessalinizada ao longo do tempo. Analisando a Figura 9 com relação às vazões do concentrado (Qc) e do permeado (Qp), nota-se que estão dentro da faixa de controle operacional requerida pela empresa, visto que o valor padrão para a vazão do permeado é de 833,33 L/min e do concentrado de 208,33 L/min. A pressão de alimentação permanece constante, com um valor de 15 Kgf/cm², satisfazendo a vazão do permeado necessária para a produção de água dessalinizada da empresa.

9 Na figura 10 encontra-se a relação da Recuperação do sistema (R) e da Porcentagem de Rejeição de Sais (PRS) com relação ao tempo (meses) de operação. Foi visto que a razão da água de alimentação convertida em água purificada (Recuperação) permanece numa faixa de 80% estando acima dos valores prescritos na literatura, sendo de 75%, comprovando a eficiência das membranas em retirar sais contidos na água de alimentação. Com relação ao PRS (%) observa-se na Figura 9 que ele se mantém em uma faixa entre 93 e 95%, sendo que as rejeições típicas de sais dissolvidos atingem a marca de 95 a 99%, dados da literatura, portanto o sistema de dessalinização via osmose inversa utilizada pela empresa vem atendendo suas necessidades. Figura 10: Relação da R (%) do sistema e da PRS (%) em relação ao tempo. CONCLUSÃO O monitoramento e controle do sistema de tratamento de água via osmose inversa apresentou-se eficiente uma vez que reduziu a concentração de sais dissolvidos em média da água de alimentação, dos meses de Março a Julho, de 163 ppm para 9 ppm no permeado. Em relação à dureza, a água pré-tratada que apresenta níveis de 48 ppm em média após tratamento de dessalinização via osmose inversa consegue eliminar completamente sua dureza, influenciando para o bom funcionamento dos equipamentos evitando assim corrosões e incrustações. O processo apresentou um rendimento de aproximadamente 80% e uma Porcentagem de Redução de Sais minerais na faixa de 95% como era de se esperar e de acordo com os resultados da literatura. REFERÊNCIAS Armoa, M. H., Jafelicci, M. J., (2011). Princípios e aplicações de processos de separação por membranas inorgânicas. Ciência & Tecnologia: FATEC-JB, Jaboticabal, v. 2, n. 1, p Costa, A. C. M. (2009). Desenvolvimento de membranas de osmose inversa resistentes à deposição de matéria orgânica e bioincrustações. 122p. (Tese de Doutorado em Engenharia Química) - Programa de pós-graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro - RJ.

10 Oliveira, T. F., (2010). Tratamento de água de abastecimento público por sistema de separação por membrana de ultrafiltração: estudo de caso na ETA Alto da Boa Vista. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo SP. Schneider, R. P., & Tsutiya, M. T., Membranas Filtrantes para O Tratamento de Água, Esgoto e Água de Reuso, ABES, 1ª Ed, São Paulo, Silva, S. K; Monteiro, G. S; Silva, J. N; Ferreira, W. B; França, K. B. (2009). Estudo do índice de densidade de sedimentos em águas oriundas de poços tubulares aplicadas a sistemas de dessalinização via osmose inversa. Centro Científico Conhecer - Enciclopédia Biosfera, vol. 5, n8.