SIMULAÇÃO E ANÁLISE DE SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO VIA OSMOSE INVERSA: CONSIDERAÇÕES PARA ANÁLISE DA QUALIDADE DA ÁGUA Giovnne de Sous Monteiro 1 ; José Nilton Silv 2 & Henrique Lim Less Lôbo 3 1) Mestre em Engenhri Quími el Universidde Federl de Cmin Grnde PB. e-mil: giovnnemonteiro@yhoo.om.br. 2) Mestre em Engenhri Quími el Universidde Federl de Cmin Grnde PB. e-mil: nilton@lbdes.ufg.edu.br 3) Engenheiro Agrônomo Ténio do Progrm Águ Doe, Universidde Federl de Cmin Grnde UFCG, Cmin Grnde PB, Av. Arígio Veloso 882 Bodoongó, 58.109-970 Cmin Grnde PB. e-mil: henrique_less@hotmil.om RESUMO - A águ é um dos mineris esseniis à vid, e su qulidde é de imortâni r os vários rmos d tividde industril e onsumo humno. No nordeste, ssim omo em váris regiões do mundo, um ds fontes de águ resentes é de oços tubulres, mesm miori resent ltos índies de slinidde. A fim de minimizr slinidde de águs slobrs oriund de oços tubulres, sistems de desslinizção vi osmose invers são rojetdos r rodução de águ de bo qulidde. Esse trblho resent s ets do rojeto de sistem de desslinizção utilizndo simuldores omeriis disoníveis, fim de obter um águ de qulidde r onsumo humno. Avlindo qulidde d águ em termos de slinidde, o onjunto de membrns ser utilizdo deenderá d quntidde de águ roduzid requerid, e minimizr os oteniis de inrustção, visndo um mior de temo de vid útil. Plvrs-hve: desslinizção, simulção, membrns. ABSTRACT - The wter is one of essentil minerls to the life, nd its qulity is of imortne for some brnhes of the industril tivity nd humn onsumtion. North-estern, s well s in some regions of the world, one of the wter soures gifts it is of tubulr wells, tht the sme mjority resents high indies of slinity. In order to minimize the deriving wter slinity wste of tubulr wells, desliniztion systems sw osmosis inverse is rojeted for wter rodution of good qulity. This work resents the stges of rojet of desliniztion system using simultor ommeril vilble, in order to get wter of qulity for humn onsumtion. Evluting the qulity of the wter in slinity terms, the set of to be used membrnes will deend on the mount of rodued wter required, nd to minimize the inrusttion otentils, being imed t greter of time of useful life. Word key: desliniztion, simultion, membrnes.
2 1 - INTRODUÇÃO N região Nordeste, devido à esssez de águ otável, oços tubulres são fontes de águs, que n miori, resentm teores de sis im do nível de otbilidde. Assim desslinizção surge omo um roesso que ger águ de bo qulidde r o onsumo humno que utiliz esses tios de oços. Em omunidde onde há águ de sistems de desslinizção, lém de diminuir o teor de sis rejudiil à súde humn, tmbém há redução or ontminntes mirobiológio, um vez que no roesso de osmose invers não ermite ssgem de btéris r águ roduzid, Shneider e Tsutiy (2001). Assim um melhori signifitiv n qulidde de vid d omunidde é diiond om o esso à águ de bo qulidde. A qulidde d águ r roessos industriis é um dos ftores imortnte r um bom desemenho de equimentos om ldeirs vor, trodores de lor, entre outros. N quími nlíti, águ de qulidde orresonde totl isenção de sis resentes. Ms r o onsumo humno, qulidde d águ orresonde resenç de sis em fixs definids elo onselho nionl de súde. A desslinizção vi osmose invers é um lterntiv r obtenção de águ de qulidde r onsumo humno, utilizndo águ de oços tubulres ou águ do mr. O orte do sistem de desslinizção deenderá de ftores omo: qulidde d águ de limentção, quntidde de águ ser roduzid. Esses râmetros iniiis são imortntes n esolh ds membrns serem utilizds r simulção, e osterior vlição de oerção. A qulidde d águ é vlid em termos de râmetros físio-químio qunto o teor de sis omo: álio, mgnésio, rbontos e birbontos, loreto, sulfto, sódio, otássio, nitrto, nitrito, síli e râmetros físio omo otenil hidrogeniônio (H), ondutividde elétri (k) e turbidez. Esses râmetros são utilizdos omo entrds r rojetr o sistem de desslinizção, e verifição de utilizção de ré-trtmento químio em função do tio de ossível inrustnte or rbontos, sulftos e síli. Os simuldores de rojeto r desslinizção vi osmose invers, são obtidos or softwres livres r vlir qulidde d águ em função d membrn ser utilizd. Assim tmbém lir revenções omo, orreção do H, r minimizr s inrustções or rbontos e sulftos e tmbém. Esse trblho tem or objetivo resentr os roedimentos r rojeto de sistem de desslinizção vi osmose invers, utilizndo simuldor omeril ROSA d Filmte, utilizndo nálise d águ de limentção e observções r medids reventivs. 2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA A desslinizção é um roesso de hier filtrção que retirr rilmente os sis de águ slobr ou do mr. Ess filtrção é do tio ruzd, onde movido or um forç motriz de ressão, ermite ssgem d águ d região onentrd r menos onentrd omnhd or equen quntidde de sis. N Figur 01 é resentd um reresentção de filtrção ruzd, que dá origem o roesso de osmose invers, riniio de funionmento de sistems de desslinizção vi osmose invers.
3 Figur 01 Reresentção do fluxo ruzdo, Fonte: Filmte, (2007) O roesso de osmose nturl oorre qundo dus soluções de onentrção diferentes enontrm-se serds or um membrn semiermeável. Neste so, existe um tendêni do solvente (águ), d solução menos onentrd, migrr r o mbiente onde se enontr solução de mior onentrção de sis, qul sofre um divisão rogressiv té que s dus soluções tinjm s mesms onentrções. Este roesso é imulsiondo or um grndez hmd "ressão osmóti", té que s dus soluções tinjm onentrções iguis que é o equilíbrio osmótio Sttmini e Luio (1999). No roesso de osmose invers, o ser lido um ressão meâni suerior ressão osmóti, oorrerá o fluxo inverso onde o solvente tende ir r região de menor onentrção de sis. Dess form desslinizção vi osmose invers tem or riniio lição de um grdiente de ressão n suerfíie de membrn, sendo s membrns um dos elementos mis imortntes nesse roesso. A OI é utilizd r desslinizr águs slins, slobrs e de suerfíie, utilizndo membrns semiermeáveis sintétis. A ressão lid deve suerr ressão osmóti d solução r serr os sis d águ. N ráti, ressão de oerção deve suerr tmbém resistêni d membrn, resistêni d zon de olrizção de onentrção e resistêni intern do equimento. As ressões de oerção reis são, ortnto, mis elevds do que ressão osmóti d solução. A rinil função ds membrns é rejeição de sis, que deende d temertur, ressão, H, onentrção de sl e rendimento Shneider e Tsutiy (2001), tis deendênis odem ser vists trvés d Figur 02.
4 Figur 02 Ftores oerionis que influenim rejeição de sis or membrns de OI: () temertur; (b) ressão de filtrção; () onentrção de sl ;(d) efeito do rendimento Fonte: Filmte (2003) e () H d solução; Fonte: Filmte (1995) As fixs de ressão de oerção ds membrns, r diferentes tios de águ trtd estão indids no Tbel 01. TABELA 01 Fixs de ressão de oerção de sistems de osmose invers r águs om diferentes níveis de slinidde Fonte: Shneider e Tsutiy (2001). Reuerçã Tio de Fix de slinidde STD Pressão de oerção o águ (mg/l) (kgf/m 2 ) (%) Slobr Até 10.000 Até 80 5,00 20,00 Mrinh 10.000 100.000 40 51,00 71,00 Slmor > 100.000 20 - STD = Sólidos Totis Dissolvidos 2.1 - Prâmetros de Projeto r Sistem de Osmose Invers Os riniis râmetros do roesso de desslinizção vi OI são queles que estão reliondos om rodutividde do sistem, quntidde de sis extríd em função d qulidde d águ de limentção, fix de ressão de oerção e onsumo de energi.
5 2.1.1 - Pressão Osmóti A ressão osmóti deende d onentrção de solutos, temertur d solução e do tio de íons resentes. Qunto mior for à onentrção d solução, mior será o vlor d ressão osmóti dess solução. Pr soluções diluíds, ressão osmóti ode ser luld el equção de Vn t Hoff (Equção 2.1), Brndt et l. (1993). π = ν RT (01) i i onde: π, ressão osmóti d solução iôni (kgf/m 2 ); ν i, nº de íons formdos n dissoição do soluto; i, onentrção molr do soluto (mol/l); R, onstnte dos gses ideis (kgf.l/m 2 mol.k) e T, temertur bsolut (K). 2.1.2 - Fluxo do Permedo O fluxo do ermedo do roesso de desslinizção deende diretmente de vários ftores omo, or exemlo: qulidde d águ de limentção em termos de onentrção de sis dissolvidos e outrs substânis de ordem orgâni. A formção desss substânis róxim à suerfíie d membrn imede ermeção durnte o roesso, onseqüentemente lter s diferençs de ressões d limentção e osmóti do sistem. O fluxo do ermedo trvés de um membrn de osmose invers é roorionl à vrição de ressão osmóti e hidráuli e ode ser reresentdo el Equção 02, Tylor e Jobs (1996); Dow Ltin Ameri (1996): J Q = K ( P π ) (02) A = onde: J, fluxo do ermedo (L/m 2 h); K, oefiiente de ermeção de águ (L/m 2 h kgf/m 2 ); P, grdiente de ressão hidráuli (kgf/m 2 ); π, grdiente de ressão osmóti (kgf/m 2 ); Q, vzão de ermedo e A, áre tiv d membrn (m 2 ). O trnsorte de sis trvés d membrn é roorionl à onentrção ou diferenç de otenil químio, deende d diferenç de onentrção e indeende d ressão lid o sistem, que ode ser reresentdo el seguinte Equção: J s = K C (03) s onde: J s, fluxo mássio do soluto (kg/m 2 h); K s oefiiente de ermeção do soluto (m/s); C: diferenç de onentrção de sis (mg/l). P, π e C são ddos or: ( P + P ) P = P (04) 2
6 π + π C π = π 2 (05) ( C + C ) C = C 2 (06) n qul: P, P e P são s ressões de limentção, do onentrdo e do ermedo, resetivmente (kgf/m 2 ). π, π e π são s ressões osmótis d limentção, do onentrdo e do ermedo, resetivmente (kgf/m 2 ). C, C e C são s onentrções d limentção, do onentrdo e do ermedo, resetivmente (mg/l), Tylor e Jobs (1996). 2.1.3 - Reuerção A reuerção do sistem refere-se à erentgem d águ de limentção onvertid em águ ermed e deende de vários ftores, omo formção de inrustção n suerfíie ds membrns, ressão osmóti e qulidde d águ de limentção do sistem. A reuerção de um sistem ode ser definid de ordo om Equção 07, Tylor e Jobs (1996). Q Q r (%) = 100 = 100 (07) Q Q + Q onde: r, reuerção do sistem (%); Q, vzão de ermedo (m 3 /h); Q, vzão de limentção (m 3 /h) e Q, vzão do onentrdo (m 3 /h). A reuerção máxim em qulquer instlção de OI, deende dos sis resentes n águ de limentção e de su tendêni se reiitr n suerfíie d membrn. Com o umento do nível de reuerção do sistem, mis águ é onvertid em roduto. Isto reduz o volume d águ ser rejeitd e, onseqüentemente, ument o vlor d onentrção de sis dissolvidos n orrente de rejeito, ssim omo ossibilidde de su reiitção n suerfíie d membrn (Dow Ltin Ameri (1996). 2.1.4 - Blnço de Mss A Equção 08 resent o blnço de mss r um sistem de desslinizção. Q C = Q C + Q C (08) onde: Q, é vzão de limentção (m 3 /h); C, é onentrção iniil de sis dissolvidos n orrente de limentção (mg/l); Q, é vzão do roduto (m 3 /h); C, é onentrção de sis dissolvidos n orrente de roduto (mg/l); Q, é vzão do onentrdo (m 3 /h) e C é onentrção de sis dissolvidos n orrente de onentrdo (mg/l)
7 A onentrção de sis dissolvidos n orrente do onentrdo é mtemtimente estimd, rtir d Equção 09: C QC Q C C rc = = (09) Q Q / Q Logo, temos onentrção de sis n orrente do onentrdo, estimd el equção bixo: C C = rc 1 r (10) onde: C é onentrção do onentrdo (mg/l); C é onentrção de limentção (mg/l) e r é reuerção do sistem (%). 2.1.5 - Rejeição de Sis A rejeição de sis (RS) fornee idde d membrn de rejeitr os sis dissolvidos durnte ermeção d águ, Silveir (1999) e ode ser definid omo: C C C RS (%) = 100 = 1 100 (11) C C onde: RS, é rejeição de sis (%), C, é onentrção de limentção (mg/l) e C, é onentrção do ermedo (mg/l). A rejeição de sis indi efetividde de remoção de sis e outrs eséies químis el membrn, ossuindo vlores que vrim de 90 99,8 % r miori dos íons existentes n águ, Hydrnutis (2002). Um grnde vriedde de ftores influeni rejeição de solutos or membrns: dimensões do soluto, morfologi dos omonentes retidos el membrn, tmnho dos oros d membrn, rorieddes químis d solução ser filtrd e ftores hidrodinâmios, que determinm à tensão de rrste e s forçs de islhmento n suerfíie d membrn, Shneider e Tsutiy (2001). 2.1.5 Pssgem de Sis (PS) É oost rejeição de sis e reresent orentgem do sl n águ de limentção que trvess membrn, el é luld de ordo om Equção 3.12, Brndt et l. (1993): C PS (%) = *100 (12) C onde: PS, tx de ssgem de sis (%); C, onentrção iniil de sis dissolvidos n orrente de limentção (mg/l); C, onentrção de soluto n orrente de ermedo (mg/l).
8 2.1.6 Considerções r rojeto de sistem de desslinizção or Simulção O rojeto de sistem de desslinizção vi osmose invers é relizdo em função d qulidde d águ e d disonibilidde d vzão d fonte. No so r oços tubulres, é imortnte informção d vzão máxim r que o sistems sej rojetdo r um vzão de entrd ligeirmente menor. Com s informções iniiis de qulidde em termos de onentrção em rtes or milhão (m ou mg/l) de sis totis, ou tmbém onentrção disret de d omonente omo sódio, lio, mgnésio, loreto, sulfto entre outros íons e quntidde de águ ser roduzid, simuldores omeriis odem ser utilizdos r estimr o melhor rrnjo em função ds membrns serem utilizds. A disonibiliddes de simuldores livres omo o Softwre ROSA d Filmte, Filmte (2007), são utilizdos om frequeni r ontrução do sistems fisio de desslinizção. São váris s medids reventivs lids sistems de desslinizção. A iniil diz reseito ré-trtmentos físios e químios. Os retrtmentos físios são relizdos or sistems de filtros, os mesmos diminuem resenç de rtíuls diserss omo mteri orgâni, rgils e outrs rtiuls sólids. No ré-trtmento químio são utilizdos inibidores r revenir deosição de inrustntes do tio rbontos, sulftos e or síli. Pelo fto de águ ser trtd, ter que fluir trvés de ssgens muito equens, (oros d membrn) durnte o roesso, um ré-trtmento se fz neessário r remoção de eventuis sólidos em susensão e r que não oorr reiitção de sis ou resimento de miroorgnismos sobre s membrns. Atulmente o ré-trtmento onsiste de filtrção fin e dição de áidos ou outros rodutos químios r inibir quel reiitção, onstituindo n remoção de gses e juste do H, Loes (2004). 3 MATERIAIS E MÉTODOS Os dois oços estuddos n simulção dos rojetos de desslinizção estão situdos no muniíio de Riho de Snto Antônio. Os oços nomedos de Poço I e Poço II, estão lolizdos n sede do muniíio e no sítio Tnque Rso. Form tomdos ddos ds vzões máxims de mbos os oços. Form relizds olets ds águs r relizção de nálises d qulidde ds águs. As nálises físio-químis form relizds no Lbortório de Refereni em Desslinizção r obtenção dos râmetros físio-químios tomdos omo bse de simulção de rojeto dos sistems de desslinizção. A simulção dos rojetos de desslinizção foi relizd utilizndo o Softwre livre ROSA d Filmte. Os roedimento r obtenção do melhor rrnjo de membrns e do tio de membrn foi relizdo ns seguintes ets: nome do rojeto, bse de álulo de blnço de mss, eseifição dos râmetros fisioquimio em miligrm or litro, esolh d reuerção do sistem, rodução desejd, esolh do tio de membrn e or fim nálise do melhor rrnjo em função ds eseifições de rojeto disonível elo softwre. Os sistems de desslinizção estuddos neste trblho, são omostos or: 3membrns do tio BW30-4040, um Bomb monofási uxilir SCHNEIDER, modelo b-98 SC 1/3CV; três filtros de etdo de elulose de 1 miro; bomb ontrole de dosgem de ré-trtmento químio (bomb dosdor); Bomb de lt ressão DANCOR, modelo 3.2-B-20-2,0 CV; Bomb entrífug de retro-lvgem DANCOR de 1/3 CV, três elementos de membrns de osmose invers em esirl om 40 olegds de omrimento e 4 olegds de diâmetro d. Os sistems
9 form rojetdos r oerr om ess águ de onentrção entre 1.000mg/l 10.000mg/l. 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Os rojetos dos sistems de desslinizção vi osmose invers, form relizdos om ddos ds vzões dos oços e onentrções em miligrms or litro (mg/l) de sis. O oço I (Sede do muniíio Riho de Snto Antônio) resentv um vzão médi de 2,0 m³/h, e o oço II (Sítio Tnque Rso) um vzão médi de 2,4 m³/h. As onentrções médis dos resetivos sis ns águs dos dois oços itdos no trblho estão resentds no Tbel 02. As quliddes ds águs dos oços resentm vlores im do ermissível r sódio e loreto em mbos, e sulfto r o oço I. Esss são rterístis ds águs d região Nordeste, devido à geoquími do solo. Tbel 02 Vlores dos râmetros físio-químio dos Poços I e II Prâmetros Físioquímios *VMP Poço I Poço II Potenil Hidrogeniônio, H 7,4 7,6 6,0 9,5 Durez em Cálio, mg/l C 2+ 527,0 593,0 --- Durez em Mgnésio, mg/l Mg 2+ 432,6 490,2 --- Sódio, mg/l N + 1.396,5 1.250,4 200,0 Potássio, mg/l K + 34,0 27,4 --- Crbontos,mg/L CCO 3 50,0 42,0 --- Birbontos,mg/L CCO 3 400,0 356,8 --- 2- Sulfto, mg/l SO 4 578,4 492,5 250,0 Cloreto, mg/l Cl - 3.486,1 3.761,2 250,0 - Nitrto, mg/l NO 3 0,09 0,04 10,0 Síli, mg/l SiO 2 21,0 37,0 --- (*)VMP - Vlor Máximo Permissível ou reomendável el Legislção Brsileir (PORTARIA 518/04 MS). Utilizndo o Softwre itdo nteriormente, foi obtido o tio de membrn, BW30 4040, e o rrnjo em um estágio om três membrns. A onfigurção r mbos os sistems está mostrdo n Figur 03. A rodução de águ r fins de vlição do rrnjo em série om três membrns do tio já itdo, foi de 0,48 m³/h r o sistem do oço I e 0,5 m³/h r o oço II. Os sistems oerrm fix de ressão róxim de 15 Kgf/m² r o sistem I e 20 Kgf/m².
10 Figur 03 Digrm simlifido r os sistems de desslinizção estuddos Os ddos obtidos r qulidde d águ roduzid or simulção e qulidde d águ r o sistem em funionmento estão reliondo no gráfio d onentrção dos omonentes r mbs s orrentes ns Figur 04 e 05. 6000 5000 Alimentção(m) Conentrdo Simuldo (m) Conentrdo Sistem(m) Conentrção, m 4000 3000 2000 1000 0 K N Mg C CO3 HCO3 NO3 Cl SO4 SiO2 Comonentes Figur 04 Comrção entre s onentrções dos râmetros físio-químios simuldos e do sistem em funionmento r orrente limentção e dos onentrdos N Figur 04, observ-se fstmentos entre os vlores simuldos e os obtidos do sistem e funionmento. A diferenç est n onentrção de loreto, sendo ele mior que o do simuldo signifitivmente. Ms tl fstmento é justifido elo uso de ré-trtmento bse de loreto, no so do sistem rojetdo r o oço, foi utilizdo o áido lorídrio r juste do H, om isso umentndo onentrção de loreto n orrente do onentrdo.
11 N Figur 05, observ-se o mesmo omortmento itdo nteriormente. Pr os râmetros álio, mgnésio, rbonto, nitrto, e síli, os vlores sofrerm desvios reltivmente equenos omrdos om os demis. O umento de loreto no ermedo, tmbém é justifido elo uso de ré-trtmento químio. 40 35 30 Permedo Simuldo (m) Permedo Sistem (m) Conentrção, m 25 20 15 10 5 0 K N Mg C CO3 HCO3 NO3 Cl SO4 SiO2 Comonentes Figur 05 Comrção entre s onentrções dos râmetros físio-químios simuldos e do sistem em funionmento ds orrentes de ermedo Ambos os gráfios mostrdos n Figur 04 e 05, são reresenttivos r os roessos de simulção dos dois sistems nlisdos, foi observdo o mesmo omortmento, um vez que qulidde ds águs de limentção dos mesmos resentm rterístis semelhntes. Em mbos os sistems qulidde d águ simuld e obtid elo sistem se enqudrm ns eseifições dos vlores máximos ermissíveis. De um mneir gerl, os desvios obtidos entre os vlores simuldos e os de funionmento devem semre existir, ois simulção ens é um roximção do omortmento nturl do roesso.
12 5 CONCLUSÕES A simulção r os sistems de desslinizção rtir d qulidde d águ dos oços em estudo, ode ser utilizd r rever qulidde d águ roduto e tmbém águ onentrd. Aós instlção dos sistems de desslinizção, o omortmento dos mesmos ode ser vlido rtir dos râmetros definidos el simulção. A qulidde d águ revist el simulção ode ser tomd omo bse de testes futuros r juste de reuerção dos râmetros de funionmento dos sistems. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA BRANDT, D. C., LEITNER, G. F., LEITNER,W.E., Reverse osmosis membrne sttes of the rt. In Zhid Amjd (ed), Reverse Osmosis: Membrne Tehnology, Wter Chemistry & Industril Alitions, Vn Nostrnd-Reinold, New York, 1993. DOW LATIN AMERICA, A tenologi de membrn de osmose revers. Boletim Ténio, 1996. FILMTEC, Teh Mnul, Dow Chemil Comny, 2007. FILMTEC, Teh Mnul, Dow Chemil Comny, 1995. FRANÇA, K. B. Projeto: Progrm Águ Doe. Universidde Federl de Cmin Grnde, Ministério do Meio Ambiente e Seretri de Reursos Hídrios, 2004. LOPES, J. T., Dimensionmento e Anlise Térmi de um Desslinizdor Solr Híbrido. Dissertção Mestrdo em Engenhri Meâni, UEC, Cmins-SP, 2004. HYDRANAUTICS. Tehnil Servise Bulletin, 2002. SATTAMINI, LUIZ E LUCIO., Sistems de osmose invers, AQUANET-Engenhri de lições em desslinizção-mnul ténio, 1999. SCHNEIDER, R. P., & TSUTIYA, M. T., Membrns filtrntes r o trtmento de águ, esgoto e águ de reuso, ABES, 1ª ed, São Pulo, 2001. SILVEIRA, M. C., Avlição de sistem híbrido r desslinizção de águs slins elo roesso de osmose invers. Dissertção (Mestrdo em Engenhri Quími), UFPB, Cmin Grnde PB, 1999. TAYLOR, J.S., JACOBS, E. P., Reverse osmosis nd nnofiltrtion. In: Joel Mlleville et l (ed), Wter Tretment Membrne Proesses,. 9.1-9.70. MGrw Hill, New York, 1996.