ULTRAFILTRAÇÃO Projeto FEUP. Resumo

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1 Resumo Esta experiência laboratorial teve como principal objetivo separar dois componentes através de uma membrana semipermeável que retém um dos componentes. Utilizando diferentes pressões (3,2 e 1) fomos capazes de perceber que a membrana de ultrafiltração funciona na perfeição, conseguindo separar a emulsão de água e óleo. Com o auxílio de uma proveta medimos o caudal filtrado, tendo em conta o intervalo de tempo da medição, e a temperatura da membrana. Efetuamos cerca de 5 ensaios experimentais para cada pressão. Efetuamos o mesmo procedimento para 3 valores de pressões diferentes e através de medições do caudal que era filtrado percebemos que a absorvância, medida no espectrofotómetro, ia diminuindo que era uns dos objetivos propostos. Para a elaboração do relatório efetuamos uma pesquisa sobre as aplicações das membranas, ou seja, os processos de separação por membranas dos quais destacamos a osmose inversa, a nanofiltração e a ultrafiltração. Será demonstrado ao longo do trabalho realizado, que apesar de serem processos semelhantes são utilizados em diferentes situações de acordo com o tamanho das partículas que pretendemos remover. É dado especial destaque à ultrafiltração uma vez que foi o processo utilizado na atividade experimental. P á g i n a 1 14

2 Palavras-chaves Nanofiltração Osmose inversa Aplicações Bactérias Partículas Processos Membranas Tratamento Ultrafiltração P á g i n a 2 14

3 Índice Introdução... 3 Osmose inversa... 4 Nanofiltração... 5 Ultrafiltração... 5 No tratamento de água potável e residual... 6 Vantagens e desvantagens da ultrafiltração no tratamento de água... 6 Problemas associados aos processos de separação... 7 Polarização... 7 Incrustações... 7 Métodos e materiais... 8 Resultados... 9 Discussão Conclusões Referências Bibliográficas P á g i n a 3 14

4 Introdução Ao longo dos últimos anos, as tecnologias por membrana têm sido muito desenvolvidas, assumindo um lugar importante no tratamento industrial de efluentes líquidos. Esta tecnologia é posta em prática por uma membrana que separa duas moléculas, podendo ser ambas líquidas, ambas gasosas ou uma líquida e uma gasosa. No processo apenas algumas partículas passam as membranas, acontecendo assim o processo de separação. O uso destas membranas permite a separação de micro e macro moléculas usando diferentes métodos, que variam consoante o tamanho do soluto que queremos separar, é o caso da osmose inversa, da nanofiltração e da ultrafiltração 1. São processos muito semelhantes que diferem principalmente no tamanho das partículas que são removidas. Assim sendo, a ultrafiltração é um procedimento que envolve a aplicação de uma pressão, para forçar a passagem de um solvente líquido através de uma membrana. A nanofiltração é um método de separação por membranas que utiliza, como o próprio nome indica, membranas com poros de tamanhos nanométricos. E por último, a osmose inversa consiste num processo onde um solvente é separado de um soluto, de baixa massa molecular, através de uma membrana permeável ao solvente e impermeável ao soluto. O grau de retenção de um soluto nos processos acima indicados, irá depender do seu peso molecular e do tamanho e características da membrana (tamanho dos poros). Dos três processos de separação referidos anteriormente, a ultrafiltração é considerada o método mais versátil. Este é muito usado na separação de solutos dissolvidos em água ou de materiais dispersos na água 2.Como tal, baseado na nossa experiência laboratorial, indicaremos quais as principais aplicações deste processo de separação. A experiência realizada teve como objectivo usar um processo de separação membranar que permitia separar o óleo da água, de uma emulsão inicial dos dois compostos, com a ajuda de uma membrana porosa. Obtivemos os resultados variando pressões que, posteriormente foram analisados com as variações de temperatura, caudal do permeado e tempo de recolha do mesmo. P á g i n a 4 14

5 Osmose inversa Osmose inversa é um processo é usado para remover da água uma grande variedade de sais, proporcionando água de elevada pureza. É um processo natural envolvendo um fluxo de fluido através de uma membrana semipermeável. Na osmose inversa a água é bombeada a alta pressão e passa através das membranas semipermeáveis separando os sais da água. No entanto, a água tem de ser pré tratada para remover partículas que possam colmatar as membranas. A quantidade de água produzida depende da permeabilidade das membranas. Aplicações da osmose inversa: Dessalinização: Através da osmose inversa, é possível tratar a água do mar de modo a que esta possa ser usada para consumo humano. Utilização Hospitalar e Farmacêutica: Para a produção de produtos químicos, os hospitais e os laboratórios farmacêuticos costumam utilizar os sistemas de tratamento por Osmose Inversa para garantir que os seus produtos têm um elevado grau de pureza. Nanofiltração Na nanofiltração são utilizadas umas membranas que contêm poros mais grossos do que na osmose inversa, e mais pequenos que na ultrafiltração. Desta forma não retém todos os sais mas apenas moléculas de dimensões superiores. Este processo é utilizado pri ipal e te a re oç o de su st ias org i as ora tes, itratos e iões. A nanofiltração tem a vantagem de ser capaz de processar grandes volumes e produzir continuamente fluidos no entanto é o método menos utilizado para a filtração por membrana na indústria visto que os tamanhos dos poros das membranas estão limitados ao nanómetros. Aplicações da nanofiltração: Medicina: Capaz de extrair aminoácidos e lípidos do sangue. Fracionamento dos extratos de crude. P á g i n a 5 14

6 Ultrafiltração A ultrafiltração é um procedimento que permite a clarificação e desinfeção de água através de uma membrana que atua como um filtro para todas as partículas como: bactérias, vírus e moléculas orgânicas, garantindo, desta forma, água de qualidade elevada, sem sabor ou odor. Assim sendo, o processo de ultrafiltração reduz o desperdício de tratamento e a necessidade de utilizar produtos químicos, enquanto conserva o equilíbrio mineral da água e devido a ter uma grande eficiência na separação de partículas, de determinados micro-organismos, esta tecnologia é utilizada no tratamento avançado de efluentes. No tratamento de água potável e residual A ultrafiltração é o último processo a ser realizado no tratamento de águas para consumo uma vez que inicialmente é necessário serem retiradas as partículas de maiores dimensões que as membranas utilizadas nesta técnica não conseguem remover. Este processo é, também mais utilizado no tratamento de águas potáveis, porque as bactérias a filtrar são mais pequenas em relação à água residual que contém um maior número de bactérias em maior tamanho o que faz com que as membranas utilizadas, devido às pequenas dimensões dos seus poros, não consigam reter todas as partículas presentes na água. Vantagens e desvantagens da ultrafiltração no tratamento de água Os processos de separação por membranas, nomeadamente a ultrafiltração, têm vindo a tornar-se, nos últimos anos, uma tecnologia cada vez mais atrativa como possível alternativa ao tratamento de águas para consumo humano. A filtração por membranas, comparada com o tratamento convencional, oferece uma série de vantagens: Qualidade superior da água tratada, através da remoção de macromoléculas, bactérias e vírus, designadamente de micro-organismos resistentes aos tratamentos químicos; Sistema facilmente adaptável às variações de qualidade e quantidade de água a tratar; Fácil controlo de operação e de manutenção; Menor utilização de químicos, que pode originar efeitos nefastos na saúde pública; Menor produção de lamas. No entanto, para além destas vantagens, a aplicação da técnica no tratamento de águas está limitada pelo declínio do fluxo verificado ao longo do tempo, originando uma menor produção de água tratada, maiores consumos de energia e necessidade P á g i n a 6 14

7 frequente de limpeza das membranas com químicos. O declínio parece estar relacionado com os problemas associados aos processos de separação que serão abordados posteriormente. Para uma maior eficácia é importante a seleção de um material adequado para as membranas e a otimização das condições de operação do sistema. Problemas associados aos processos de separação Mesmo tendo-se todos os cuidados necessários como por exemplo: a escolha do material e morfologia adequados para a confeção da membrana, é sempre observada uma queda de fluxo do permeado. Esta queda deve-se a 3 fatores: polarização, fouling e a formação de um gel, que diminuem a vida útil das membranas e eficácia dos processos. Polarização As membranas ao serem semi permeáveis permitem a passagem preferencial de alguns componentes em detrimento de outros, isto faz com que a concentração de soluto na superfície da membrana, seja diferente daquela no seio do fluido. Incrustações Designam-se por incrustações os depósitos que se formam no interior das membranas, devido à fixação de substâncias em suspensão e da precipitação de sólidos dissolvidos que se transformam em sólidos insolúveis devido ao aumento da concentração. Um tipo de incrustação é a formação de uma camada de gel. Estas, são um fator limitante do processo devido ao acúmulo de material na superfície ou nos poros das membranas. Diferentes processos de separação P á g i n a 7 14

8 Métodos e materiais Procedimento: 1. Inicialmente calibramos o espectrofotómetro de forma a poder quantificar a concentração de óleo na corrente de permeado. Para tal, introduzimos água destilada na célula, desligando as tubagens que a ligam à unidade laboratorial. Quando o comprimento de onda atingir os 734nm (indicado no espectrofotómetro), pressionamos a tecla Cal para definir o zero de absorvância. 2. Ligamos as tubagens à célula, abrimos o programa responsável pelo registo de resultados e finalmente ligamos a bomba, depois de nos termos assegurado de que a válvula V1 estava completamente aberta, de forma a permitir a passagem da solução. 3. De seguida regulamos a válvula V2 para a pressão desejada de 3 bar e começamos a gravar os resultados. 4. Após verificarmos que a absorvância apresenta um comportamento estável, procedemos às medições do caudal do permeado. Para isso, utilizamos uma proveta onde recolhemos aproximadamente 6ml de solução registando o tempo de recolha, nestas medições é fundamental ter o cuidado de colocar a extremidade da tubagem ao mesmo nível que estava anteriormente, caso contrário poderá afetar a medição. Estas medições foram efetuadas em intervalos de 5 minutos. 5. Depois de efetuadas três medições e após ser atingido o estado estacionário, regulamos a válvula V2 para as pressões relativas de 2 e 1 bar repetindo o procedimento descrito. 6. No final da atividade experimental, desligamos a bomba, o espectrofotómetro e o computador. P á g i n a 8 14

9 Figura 1 Esquema da instalação experimental Figura 2 - Instalação Figura 3 - Computador adstrito a este trabalho Resultados Ensaio 1 Pressão ~3 bar Tempo (s) Volume(ml) Caudal (ml/s) T média (ºC) Caudal (m3/s) 38,82 6,25 0,161 28,3 1,61E-07 31,27 5,7 0,182 32,3 1,82E-07 35,96 5,4 0,15 35,2 1,50E-07 * 31,1 5,9 0,19 37,6 1,90E-07 29,35 5,8 0,198 39,7 1,98E-07 Tabela 1 *Erro experimental com possível origem na remoção do tubo, o que por sua vez provocou o aumento do tempo de estabilização. Ensaio 2 Pressão ~2 bar Tempo (s) Volume(ml) Caudal (ml) T média (ºC) Caudal (m3/s) 43,06 5,8 0,135 43,2 1,35E-07 34,03 5 0,147 43,9 1,47E-07 36,55 5,4 0,148 44,95 1,48E-07 P á g i n a 9 14

10 Tabela 2 Ensaio 3 Pressão ~1 bar Tempo (s) Volume(ml) Caudal (ml) T média (ºC) Caudal (m3/s) 98 5,8 0,059 45,1 5,90E ,8 0,06 45,1 6,00E ,7 0,061 45,1 6,10E-08 Tabela 3 Figura 4 Gráfico dos Caudais obtidos Figura 5 Gráfico dos Caudais obtidos em função da pressão P á g i n a 10 14

11 Figura 6 - Gráfico dos Caudais obtidos em função da concentração Ensaio Q médio (ml/s) P médio(bar) Abs média C média(v/v) C média (mg/l) 1 18,058 2,90 6,09E-02 6,23E ,552 1,87 3,70E-02 3,78E , ,303 0,83 3,08E-02 3,15E Tabela 4 P á g i n a 11 14

12 Discussão No final da atividade experimental e depois do estudo dos resultados obtidos procedemos a um balanço de toda a experiência que passamos a expor. Desta forma, a análise de resultados permite-nos verificar que à medida que diminuímos a pressão, o tempo necessário para a recolha do líquido aumenta e desta forma o caudal diminui, o mesmo acontece à absorvância inicial de permeado obtida para a concentração de óleo na experiência que passa de valores próximos de 0.1 para 0.03, e assim sendo está a ocorrer uma diminuição de qualidade. Por último, ao observarmos a concentração do óleo na experiência verificamos que os valores são superiores ao limite imposto pela legislação que é de 15mg/L para descargas residuais de óleo o que nos permitiu concluir que os resultados não são totalmente satisfatórios. P á g i n a 12 14

13 Conclusões As técnicas de separação por membranas têm tido cada vez mais relevantes na sociedade atual, demonstrando-se ferramentas essenciais em estações de tratamentos de água, por exemplo. Com esta experiência laboratorial e com a pesquisa efetuada sobre o tema tivemos a oportunidade de descobrir o modo como se realizam os processos de separação por membranas (osmose inversa, nanofiltração e ultrafiltração), as suas variadíssimas aplicações e a importância que estas técnicas revelam no tratamento industrial de efluentes líquidos ou gasosos. Acreditamos que apesar de serem práticas que implicam custos elevados de manutenção e fornecimento é importante que se analisem as vantagens para que possa haver um desenvolvimento sustentável nesta área, que se mostra tão importante. Desta forma, concluímos que a elaboração desta atividade e de todo o trabalho desenvolvido no projeto feup foi importante para um conhecimento mais aprofundado do tema. P á g i n a 13 14

14 Referências Bibliográficas 1. Mulder, M. in Basic Principles of Membrane Technology (Springer Netherlands, 1996). 2. Chakrabarty, B., Ghoshal, A. K. & Purkait, M. K. Ultrafiltration of stable oil-in-water emulsion by polysulfone membrane. J. Membr. Sci. 325, (2008). Portugal, Decreto-Lei n.o236/98, de 1 de Agosto de 1998, DIÁRIO DA REPÚBLICA, Lisboa, n. 176, p. 3676, 1 de Agosto de Seção 1, Série A P á g i n a 14 14