AVALIAÇÃO DO TRASPORTE IÔNICO DE MEMBRANAS ÍON SELETIVAS HETEROGÊNEAS APLICADAS EM ELETRODIÁLISE

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1 AVALIAÇÃ D TRASPRTE IÔNIC DE MEMBRANAS ÍN SELETIVAS HETERGÊNEAS APLICADAS EM ELETRDIÁLISE G. M. da Silveira*, N. E. Lauffer, F. T. Nascimento, J. F. Corte, N. C. Martins, M. Flach, R. M. de Martins, M. A. S. Rodrigues, F. Celso, V. D. Jahno *ERS-239, 2755 CEP Novo Hamburgo, RS / Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Tecnologias Limpas. gms.graciela@gmail.com Universidade Feevale, Novo Hamburgo RS RESUM Considerando que as membranas constituem 40% do investimento em um sistema de separação com membranas, o fato desses materiais ainda não serem fabricados no Brasil toma o processo de eletrodiálise oneroso e caracteriza uma limitação à sua aplicação em grande escala no país. As membranas íon seletivas heterogêneas são sistemas sólidos eletrocarregados química ou fisicamente, pela fixação de cargas em matrizes poliméricas. Este trabalho teve como objetivo preparar e caracterizar membranas íon seletivas heterogêneas. Foram desenvolvidas uma membrana catiônica e uma aniônica, ambas com 50% de resina de troca iônica na composição, tendo sido avaliadas na eletrodiálise de bancada comparativamente às membranas comerciais HDX100 e HDX200. A partir desse ensaio, observou-se desempenho ligeiramente inferior (4,9%), porém muito promissor das membranas obtidas em relação às membranas comerciais testadas, validando a matriz polimérica e as resinas utilizadas como materiais aplicáveis no desenvolvimento de membranas íon seletivas heterogêneas nacionais para aplicação em eletrodiálise. Palavras-chave: Membrana. Eletrodiálise. Reuso de água. INTRDUÇÃ Considerando que as membranas constituem 40% do investimento em um sistema de separação com membranas, o fato desses materiais ainda não serem fabricados no Brasil toma o processo de eletrodiálise oneroso e caracteriza uma limitação à sua aplicação em grande escala no país. (1) Nas condições atuais, a proteção do meio ambiente e a transição para processos sustentáveis tornaram-se fatores decisivos para determinar o desenvolvimento da indústria e tecnologia. s problemas ambientais são mais pronunciados nas áreas 8318

2 onde as indústrias químicas operam, onde seus efluentes são descarregados em fontes de água nas proximidades, causando irreparáveis danos aos ecossistemas naturais. Uma das soluções reais para o problema de proteção ambiental e conservação dos recursos é o desenvolvimento e introdução de processos que não gerem efluentes ou ainda, processos com geração mínima e com tratamento local dos efluentes líquidos gerados, preferencialmente para reuso no processo. (2) processo de eletrodiálise (ED) apresenta-se como uma alternativa mais eficiente, quando comparado aos métodos tradicionais de tratamento de efluentes. A ED baseia-se na migração seletiva de íons em solução através de membranas de troca iônica pela aplicação de eletricidade, que atua como força motriz, entre dois eletrodos. (3,4) Sabe-se que a eficiência da eletrodiálise depende em grande parte das propriedades das membranas de troca iônica utilizadas no processo. (5) As membranas íon seletivas heterogêneas utilizadas para tal aplicação são sistemas sólidos eletrocarregados quimicamente ou fisicamente, através da fixação de cargas em matrizes poliméricas. Estas membranas são compostas efetivamente por resinas de troca iônica dispersas em uma matriz polimérica, produzidas na forma laminar e apresentam a característica de discernir entre a permeação ou migração de uma substância, através da carga que tal substância apresenta. (6) Com a intenção de contribuir para o avanço tecnológico do país, este trabalho promove o desenvolvimento de membranas íon seletivas heterogêneas para aplicação na técnica de eletrodiálise. MATERIAIS E MÉTDS As membranas obtidas são compostas por uma resina aniônica e outra catiônica Purolite e pelo polímero SEBS, nas proporções, conforme detalhado na Tabela 1. Tabela 1 Composição das amostras de membranas. Identificação da Amostra Proporção de Resina (%) Proporção de SEBS (%) Padrão de comparação Aniônica HDX200 Catiônica HDX

3 As amostras foram produzidas através do método de dissolução e evaporação do solvente, também conhecido como processo casting, que consiste em dispersar as partículas de resina em solução de matriz polimérica e posterior evaporação do solvente a fim de obter o filme. Neste caso, o polímero foi dissolvido com um solvente adequado e a resina dispersa nesta solução. A mistura foi vertida em molde de vidro para completa evaporação do solvente e formação da membrana, na temperatura ambiente. As membranas obtidas foram então caracterizadas, tendo seu desempenho avaliado, através do ensaio descrito a seguir. Durante os ensaios, foram utilizadas as membranas aniônica HDX200 e catiônica HDX100, atualmente utilizadas pela Hidrodex em seus sistemas comerciais de eletrodiálise, como padrão de referência, por se tratar de membranas comerciais, já utilizadas no mercado para a aplicação em eletrodiálise. Eletrodiálise (ED) s ensaios foram realizados em uma célula de bancada de cinco compartimentos, com eletrodos de TiRu2, como ânodo e cátodo, e à temperatura ambiente. A área das membranas avaliadas em eletrodiálise é de 16 cm 2 e a densidade de corrente aplicada foi de 2 ma/cm 2. As soluções utilizadas foram Na2S4 1g/L nos compartimentos centrais (concentrado de cátions, concentrado de ânions e efluente) e Na2S4 4g/L nos compartimentos de eletrodos. A Figura 1 exibe a montagem da célula de ED de bancada, evidenciando os cinco compartimentos (solução de eletrodo cátodo, concentrado de cátions, diluído, concentrado de ânions, solução de eletrodo ânodo). 8320

4 Figura 1. Montagem da célula de ED de bancada (7) Detalhando um pouco mais a célula de eletrodiálise, a Figura 2 apresenta as configurações do stack, ou seja, a posição das membranas e a identificação das membranas comerciais substituídas para o teste com as membranas catiônica e aniônica experimentais. Na figura, é possível identificar, que para o teste de desempenho das membranas Aniônica 50 e Catiônica 50, foram substituídas, simultaneamente, as membranas comerciais centrais, que atuam na interface dos compartimentos CA e diluído e, CC e diluído, respectivamente. Na posição das outras membranas aniônica (interface CC e Cátodo) e catiônica (interface CA e Ânodo) no stack foram mantidas as membranas comerciais HDX200 e HDX100, respectivamente, uma vez que estas não impactam diretamente na extração. stack contendo somente as membranas comerciais foi identificado como stack comercial, enquanto o stack contendo as membranas comerciais e experimentais foi denominado stack experimental. 8321

5 Catiônica HDX100 Catiônica HDX100 + Â N D C A T - D Aniônica HDX200 Aniônica HDX200 Catiônica HDX100 Catiônica 50 + Â N D C A T - D Aniônica 50 Aniônica HDX200 Figura 2. Configuração do stack comercial e experimental de membranas da ED de bancada (7) RESULTADS E DISCUSSÃ Ao longo do processo de eletrodiálise, o resultado esperado, é que haja uma redução de condutividade iônica na solução do compartimento central (diluído) e um aumento de condutividade iônica nas soluções dos compartimentos do concentrado em cátions e concentrado em ânions, indicando que a extração de íons da solução de alimentação está ocorrendo conforme o previsto. Avaliando as condutividades iniciais e finais no compartimento do diluído pode-se estimar a redução percentual de condutividade ao longo do tempo de ensaio (3,5 horas), o que analisa qualitativamente, a extração de íons através das membranas catiônicas e aniônicas testadas. s resultados dos ensaios realizados na ED, para o stack experimental, contendo as membranas catiônica e aniônica desenvolvidas, comparativamente ao stack comercial, são apresentados na Figura 3, em termos de redução percentual de condutividade iônica no compartimento do diluído (central) na eletrodiálise. 8322

6 Figura 3. Redução de condutividade no diluído Conforme apresentado na Figura 3, nos ensaios realizados com os diferentes stacks, avaliando as condutividades no compartimento do diluído ao longo do ensaio, observa-se uma redução de condutividade muito próximo para ambos os stacks, sendo de 41,1% para o stack contendo apenas as membranas comerciais e de 39,1% para o stack contendo as membranas desenvolvidas em laboratório. Primeiramente, em ambos os casos, os resultados mostram que houve redução significativa na condutividade da solução no compartimento central do diluído. Esse comportamento indica que as duas configurações de membranas, incluindo o stack com as membranas catiônica e aniônica produzidas à base de SEBS permitiram o transporte de íons, quando submetidas à avaliação na célula de eletrodiálise. A diferença observada na eficiência dos stacks é mínima, e os resultados mostram que a substituição das membranas centrais comerciais pelas membranas desenvolvidas reduz em apenas 4,9% a eficiência do sistema de eletrodiálise, em termos de extração de condutividade iônica da solução. São resultados muito promissores. utra justificativa para as pequenas diferenças observadas é que variações nas propriedades das membranas heterogêneas são esperadas, seja entre elas ou em relação à especificação técnica. Este fenômeno é atribuído à distribuição não 8323

7 uniforme das partículas de resina de troca iônica na matriz polimérica, característica intrínseca de membranas heterogêneas. (7,8) CNCLUSÕES Na avaliação do desempenho das membranas desenvolvidas, as diferenças observadas na eficiência dos stacks é mínima, e os resultados mostram que a substituição das membranas centrais comerciais pelas membranas desenvolvidas reduz em apenas 4,9% a eficiência do sistema de eletrodiálise, em termos de extração de condutividade iônica da solução. Este resultado é excelente, uma vez que as variações pouco significativas indicam que o desenvolvimento de membranas íon seletivas a base de SEBS e resina de troca iônica Purolite é muito promissor, já que as membranas apresentaram similar desempenho em relação as membranas comerciais quando aplicadas na eletrodiálise. AGRADECIMENTS s autores agradecem a Universidade Feevale, UFRGS-LACR, CNPq, CAPES, FAPERGS, FINEP e BNDES pelo apoio à pesquisa. REFERÊNCIAS 1. KRAUSE B. et al. Polymeric Membranes for Medical Applications. Chemie Ingenieur Techik, v. 75, n. 11, p , MELNIKV, S. et al. Electrodialysis treatment of secondary steam condensate obtained during production of ammonium nitrate. Technical and economic analysis. Separation and Purification Technology, v. 157, p , RDRIGUES, M. A. S.; AMAD, F. D. R. et al. Application of photoelectrochemical-electrodialysis treatment for the recovery and reuse of water from tannery effluents. Journal of Cleaner Production. 16, p , CMAN, V., RBTIN, B. Nickel recovery/removal from industrial wastes: A review. Resources, Conservation and Recycling. 73, 2013, p GARCIA-VASQUEZ, W. et al. Evolution of anion-exchange membrane properties in a full scale electrodialysis stack. Journal of Membrane Science, v. 446, p , AMAD, F. D. R. Produção e Aplicação de Membranas com Polímeros Convencionais e Polianilina para Uso em Eletrodiálise no Tratamento de Efluentes 8324

8 Industriais Tese (Doutorado em Engenharia) Universidade do Rio Grande do Sul, UFRGS, Rio Grande do Sul. 7. SILVEIRA, G. M. Desenvolvimento de membranas íon seletivas aniônicas heterogêneas para eletrodiálise Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Materiais e Processos Industriais) Universidade Feevale, Rio Grande do Sul. 8. STRATHMANN, H.; GRABWSKI, A.; EINGENBERGER, G. Ion Exchange Membranes in the Chemical Process Industry. Industrial & Engineering Chemistry Research, TRANSPRT INIC EVALUATIN IN HETERGENEUS ÍN SELETIVE MEMBRANES APPLIED IN ELECTRDIALYSIS ABSTRACT Since membranes account for 40% of the total cost of an electrodialysis system, the fact that such materials are not manufactured in Brazil makes the process expensive and indicates a limitation to their use in large scale in this country. Heterogeneous ion selective membranes comprises electrically charged sytems through fixed charges in polymeric matrix. This work aimed to prepare and characterize heterogeneous ion selective membranes. Two membranes were developed, anionic and cationic, containing 50% of ion exchange resin and 50% of SEBS block copolymer, and submitted to performance evaluation in a electrodialysis cell at laboratory scale containing two commercial available heterogeneous membranes (HDX100 and HDX200). Results showed that performance of prepared membranes are slightly smaller (4,9%) than commercial membranes. This results are promissing since validate polymeric matrix and ion exchange resins presented in this work as application options in the development of heterogeneous ion exchange membranes for electrodialysis application. Key-words: Membranes. Electrodialysis. Water reuse. 8325