AVALIAÇÃO DO TRANSPORTE IÔNICO NOS DIFERENTES LADOS DAS MEMBRANAS ANIÔNICAS HETEROGÊNEAS APLICADAS EM ELETRODIÁLISE

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1 AVALIAÇÃO DO TRANSPORTE IÔNICO NOS DIFERENTES LADOS DAS MEMBRANAS ANIÔNICAS HETEROGÊNEAS APLICADAS EM ELETRODIÁLISE 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 RESUMO As membranas íon seletivas heterogêneas são sistemas sólidos eletrocarregados química ou fisicamente, pela fixação de cargas em matrizes poliméricas. Nas membranas heterogêneas, obtidas pelo processo casting com aplicação em vidro, nota-se que o lado exposto ao ar possui aspecto distinto do lado que permanece em contato com o vidro durante a evaporação do solvente, sendo essa última mais lisa. Este trabalho teve como objetivo preparar membranas íon seletivas via processo casting, e avaliar se a diferença de aspecto observada entre os lados dessas membranas impacta no transporte iônico através delas. Foram desenvolvidas duas membranas aniônicas, uma com 40% e outra com 50% de resina de troca iônica na composição, tendo sido avaliadas na eletrodiálise de bancada comparativamente as duas faces dessas membranas. As partir dos ensaios, observou-se desempenho muito similar, com variações pouco significativas entre os lados, possibilitando versatilidade no posicionamento dessas membranas durante a montagem do stack. Palavras-chave: Membrana. Eletrodiálise. Reuso de água. INTRODUÇÃO Segundo a Organização Mundial de Saúde, o Brasil é um país privilegiado, em termos de recursos hídricos, uma vez que possui 12% da água doce que percorre a superfície do planeta. Porém, a distribuição dessa água é extremamente desigual no país: 69% do total de água superficial estão localizados na região Norte, onde vive apenas 7% da população brasileira. Já o nordeste brasileiro, que concentra 29% da população, possui apenas 3% dos recursos hídricos do país. (1) Assim como esta questão da água potável, a redução de efluentes e resíduos industriais é atualmente uma preocupação mundial, o que tem sido uma motivação 8310

2 para a busca de novas tecnologias para tratamento de efluentes, visando o reuso da água e a recuperação ou o reaproveitamento de resíduos. Os métodos convencionais normalmente utilizados para o tratamento de efluentes apresentam limitações que dificultam o descarte, em razão dos parâmetros estabelecidos pela Resolução CONAMA 357 (2005) para lançamento novamente aos recursos hídricos e, impossibilitam o reuso da água, gerando ainda um lodo resultante do processo que é classificado como resíduo perigoso para sua disposição final, segundo norma ABNT NBR Este cenário caracteriza um desafio de ordem ambiental e econômica para as empresas envolvidas. Dessa forma, a possibilidade de reutilizar a água no processo industrial consiste em um fator de fundamental importância para a viabilidade e competitividade de tal processo. O 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. (2,3) O emprego da eletrodiálise em grande escala para tratamento de efluentes ainda é recente e o fato de as membranas para eletrodiálise não serem fabricadas no Brasil torna o processo oneroso, devido ao alto custo envolvido na importação destes materiais. Sabe-se que a eficiência da eletrodiálise depende em grande parte das propriedades das membranas de troca iônica utilizadas no processo. (4) 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. (5) MATERIAIS E MÉTODOS As membranas aniônicas obtidas são compostas por uma resina aniônica Purolite e pelo polímero SEBS, nas proporções, conforme detalhado na Tabela

3 Tabela 1 Composição das amostras de membranas. Identificação da Amostra Proporção de Resina (%) Proporção de SEBS (%) Aniônica Aniônica 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. É importante destacar que o lado da membrana que fica exposto ao ar apresenta aspecto distinto do lado que fica em contato com o vidro, por isso a necessidade de investigar se essa diferença percebida afeta o desempenho da membrana ao longo do processo de eletrodiálise. As membranas obtidas foram então caracterizadas, tendo seu desempenho avaliado, em ambos os lados, através do ensaio descrito a seguir. Eletrodiálise (ED) Os ensaios foram realizados em uma célula de bancada de cinco compartimentos, com eletrodos de TiRuO2, 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 Na2SO4 1g/L nos compartimentos centrais (concentrado de cátions, concentrado de ânions e efluente) e Na2SO4 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). 8312

4 Figura 1. Montagem da célula de ED de bancada (6) Na Figura 1, observa-se ainda o stack de membranas, na parte superior aos compartimentos, onde as membranas catiônicas e aniônicas são posicionadas de forma alternada para resultar nos compartimentos alternados de soluções concentradas e diluídas em íons. RESULTADOS E DISCUSSÃO 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. Avaliando as condutividades iniciais e finais no compartimento do concentrado de ânions, uma vez que se está avaliando a membrana aniônica, podese estimar o aumento percentual de condutividade ao longo do tempo de ensaio (3,5 horas), o que analisa qualitativamente, a permeabilidade de ânions através das membranas aniônicas obtidas e testadas. Os resultados dos ensaios realizados na ED, para as membranas Aniônica 40 e Aniônica 50, são apresentados nas figuras 2 e 3, respectivamente, em termos de aumento percentual de condutividade iônica no compartimento do concentrado de ânions (CA) na eletrodiálise. 8313

5 Figura 2. Aumento de condutividade no CA - membrana Aniônica 40. Conforme apresentado na Figura 2, nos ensaios realizados com a membrana Aniônica 40, avaliando as condutividades no CA ao longo do ensaio, observa-se um aumento de condutividade muito próximo para ambos os lados da membrana, sendo de 35,9% através do lado mais liso, que esteve em contato com o vidro na fabricação e de 32% através do lado que esteve em contato com o ar na fabricação da membrana. Figura 3. Aumento de condutividade no CA - membrana Aniônica 50. Nos ensaios realizados com a membrana Aniônica 50, o mesmo comportamento foi observado, apresentando um aumento de condutividade de 42,9% através do lado mais liso, que esteve em contato com o vidro na fabricação e 8314

6 de 44% através do lado que esteve em contato com o ar na fabricação da membrana. Esses resultados são exibidos na Figura 3. Primeiramente, para ambas as membranas, os resultados mostram que houve aumentos significativos na condutividade da solução no compartimento concentrado em ânions. Esse comportamento indica que as duas membranas produzidas à base de SEBS permitiram o transporte de ânions, neste caso íon sulfato, quando submetidas à avaliação na célula de eletrodiálise. São resultados muito promissores. É importante destacar ainda que a diferença de comportamento observada entre as membranas Aniônica 40 e Aniônica 50 era esperada e está totalmente coerente, uma vez que maior extração de íons e consequentemente, maior permeação de ânions, era esperada através da membrana Aniônica 50, que apresenta 10% a mais de resina de troca iônica na composição, em relação à Aniônica 40. Por fim, o aspecto mais importante a ser observado neste estudo é que as diferenças observadas, em ambas as membranas, entre os lados AR e VIDRO não são consideráveis. Além disso, na avaliação da membrana Aniônica 40, o lado em contato com o vidro apresentou levemente maior permeação e no caso da outra membrana para este lado o aumento foi menor, ou seja, nem mesmo houve uma tendência de um lado apresentar melhor resultado do que outro. Sendo assim, verifica-se que as variações são mínimas e a diferença de aspecto entre os lados não compromete a eficiência na ED. Outra 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 uniforme das partículas de resina de troca iônica na matriz polimérica, característica intrínseca de membranas heterogêneas, apontando, inclusive, para necessidade de melhorias na composição e/ou processo de preparação das membranas. (7) CONCLUSÕES Na avaliação do desempenho das membranas desenvolvidas, as diferenças observadas, em ambas as membranas, entre os lados AR e VIDRO não são consideráveis. Além disso, não foi possível identificar qualquer tipo de tendência de um lado apresentar melhor resultado do que outro, o que nos permite concluir que 8315

7 as variações são mínimas e a diferença de aspecto entre os lados não compromete a eficiência na ED. Estes resultados são excelentes, uma vez que as variações pouco significativas entre os lados, possibilitam versatilidade no posicionamento dessas membranas durante a montagem do stack. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Universidade Feevale, UFRGS-LACOR, CNPq, CAPES, FAPERGS, FINEP e BNDES pelo apoio à pesquisa. REFERÊNCIAS 1. TORRI, J. B. Dessalinização de água salobra e/ou salgada: métodos, custos e aplicações Trabalho de Conclusão (Graduação em Engenharia Química) Universidade do Rio Grande do Sul, UFRGS, Rio Grande do Sul. 2. RODRIGUES, M. A. S.; AMADO, 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 , COMAN, V., ROBOTIN, 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 , AMADO, F. D. R. Produção e Aplicação de Membranas com Polímeros Convencionais e Polianilina para Uso em Eletrodiálise no Tratamento de Efluentes Industriais Tese (Doutorado em Engenharia) Universidade do Rio Grande do Sul, UFRGS, Rio Grande do Sul. 6. 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. 7. STRATHMANN, H.; GRABOWSKI, A.; EINGENBERGER, G. Ion Exchange Membranes in the Chemical Process Industry. Industrial & Engineering Chemistry Research,

8 TRANSPORT IONIC EVALUATION IN DIFFERENT SIDES OF THE HETEROGENEOUS ANIONIC MEMBRANE APPLIED IN ELECTRODIALYSIS ABSTRACT Heterogeneous ion selective membranes comprises electrically charged sytems through fixed charges in polymeric matrix. The membranes prepared in this work were casted over a glass plate, showing distinctive appearance from the air exposed side and glass contact side, being flatter the later. This work aimed to prepare ion selective membranes by casting and evaluate if the difference in appearance between the two sides have some influence in the ionic transport through the membrane. Two anionic membranes were developed, containing 40% and 50% of ion exchange resin, and performance of each face of both membranes were compared in a electrodialysis cell in laboratory scale. Results showed similar behavior, with negligible differences between the sides, thus indicating versatility on positioning of prepared membranes during assembly of a electrodialysis stack. Key-words: Membranes. Electrodialysis. Water reuse. 8317