Quando os engenheiros de processos precisam separar, clarear ou fracionar as correntes de processos—e onde exigem um desempenho confiável e repetitivo—os sistemas de filtração de membranas estão se tornando a primeira escolha de forma mais frequente.
Quando os engenheiros de processos precisam separar, clarear ou fracionar as correntes de processos — e onde exigem um desempenho confiável e repetitivo — os sistemas de filtração de membranas estão se tornando a primeira escolha de forma mais frequente.
Em seu nível mais básico, a filtração de membranas envolve a separação de um único fluxo em duas correntes (uma mais concentrada do que a outra) ao usar a pressão para passar o material de forma seletiva através de uma barreira física semipermeável — a membrana. As correntes separadas podem ainda se submeter ao processamento ou, em caso de corrente de esgoto, ser desviadas para uma saída apropriada.
Tendo a habilidade de separar as partículas das espécies dissolvidas ou as próprias espécies dissolvidas, o sistema de membranas pode ser usado para fabricar um produto final mais concentrado ou purificado. Com a escolha da membrana correta, o processo de filtração pode isolar as espécies dissolvidas de tamanhos específicos ao passo que permite que outros componentes dissolvidos permeiem através da membrana.
Um dos principais fatores decisivos usados na escolha da membrana adequada é a natureza do fluido de processos. O conhecimento do teor dos sólidos dissolvidos, do peso molecular das espécies dissolvidas e da natureza e carregamento de qualquer material suspenso norteará o engenheiro na geometria e escolha da membrana correta. O pH e a temperatura da corrente de entrada de processos também são fatores importantes na tomada da decisão final.
Filtração de Todos os Pesos Moleculares
O espectro da filtração de membranas começa no menor nível molecular com a osmose reversa (RO), um processo que permite o grau mais fino de separação. As espécies mais dissolvidas passarão através da membrana à medida que se avança pela faixa de filtração de desaguamento ou purificação de água com a osmose reversa muito ‘firme’ até a nanofiltração, ultrafiltração e microfiltração, que é essencialmente uma separação de partículas de submícrons de materiais dissolvidos. Entre elas, esses processos podem separar partículas que se diferem em tamanho, desde poucos angstroms até poucos mícrons. Os vários níveis de filtração de membranas exigem pressões internas que variem entre 1000 psi (70 bar) em sistemas de alta pressão e até abaixo de 15 psi (1 bar) em unidades de microfiltração de baixa pressão.
O espectro da filtração de membranas varia desde a osmose reversa (RO), que permite o grau mais fino de separação, até a nanofiltração, ultrafiltração e microfiltração, que separa as partículas de submícrons de materiais dissolvidos.
A osmose reversa usa uma membrana apertada que retém quase todas as espécies dissolvidas, incluindo açúcares e sais. A pressão desse sistema deve exceder a pressão osmótica natural da água dissolvida ou de outro solvente na membrana semipermeável. Os sistemas de osmose reversa são úteis, principalmente em concentrar sucos de frutas, chás, cafés e soluções de açúcar de baixa densidade, e a tecnologia é também sempre usada para concentrar as correntes de efluentes de águas residuais, tais como as águas lixiviantes do aterro sanitário.
A nanofiltração, o próximo nível de filtração, preenche a lacuna entre a osmose reversa e a ultrafiltração. É sempre usada para dessalinizar corantes líquidos ou concentrar antibióticos. A ultrafiltração é empregada em uma ampla variedade de aplicações industriais, pois sua natureza versátil serve para separar fluxos tão diversos como as correntes de efluentes das tinturarias e fábricas de papel e celulose e a concentração de proteínas do setor de laticínios para o clareamento de sucos. Também pode ser empregada como pré-tratamento para evitar a incrustação de partículas das colunas de resina.
A extremidade superior do espectro do tamanho da partícula precisa de microfiltração. Aqui, as membranas poliméricas e cerâmicas são sempre utilizadas para oferecer uma gama de tamanhos de poros para processar líquidos do setor químico, setor farmacêutico, setor de bebidas e setor de alimentos e separar os efluentes de águas residuais.
Materiais e Configurações de Membranas
A tecnologia de filtração de membranas se desenvolveu na forma como as membranas são acondicionadas e no tipo de material usado. O resultado é uma ampla variedade de geometrias de membranas e configurações de módulos que se ajustam a diversas aplicações. As membranas são normalmente fornecidas nos formatos de fibra oca, placa plana, tubular ou espiralado com outras configurações novas mais recentes que induzem a vibração ou usam aletas giratórias para aumentar as taxas de filtração ao reduzir os efeitos da polarização da concentração da superfície da membrana (entretanto, essas novidades nem sempre são econômicas).
As configurações de membranas (da esquerda para a direita) incluem: espiralada, tubular polimérica, tubular cerâmica e fibra oca.
As membranas tubulares, por exemplo, têm várias vantagens. Podem controlar líquidos viscosos com altos níveis de sólidos suspensos e ser limpas com produtos químicos ou de forma mecânica. As membranas poliméricas tubulares são normalmente alojadas em módulos de aço inoxidável ou plástico.
As membranas espiraladas, como o próprio nome sugere, são compostas de material com filtro bem apertado interposto entre os espaçadores de malha e envolto em um tubo de diâmetro pequeno. Essa alta densidade de acondicionamento significa que há mais área de superfície de modo significativo em uma unidade de filtração que pode ser fornecida pelas membranas tubulares. Se os sólidos suspensos estiverem presentes na corrente de processos, as membranas espiraladas necessitam de pré-filtração cuidadosa para evitar bloqueios e entupimentos. Os desenvolvimentos dos designs e tamanhos dos espaçadores de malha estão ajudando a aumentar o número de aplicações a que se destinam os espirais.
As membranas de fibra oca também são densamente acondicionadas e consistem em fibras extrusadas com uma pequena parte oca. A filtração pode ocorrer da parte interna da fibra para a parte externa ou da parte externa da fibra para a parte interna, viabilizando o ciclo de retrolavagem. Embora sejam mais resilientes às pequenas partículas do que os espirais, as fibras ocas também vão sempre precisar de pré-filtração em que as partículas ou fibras maiores estejam presentes no material de alimentação. A maior parte das membranas de fibra oca não pode ser usada em pressões acima de 30 psi (2 bar) sem quebrar.
Os materiais de membranas são normalmente de polímero ou de cerâmica. As membranas espiraladas poliméricas são usadas em geral quando um alto rendimento é necessário, embora as membranas tubulares poliméricas, que sempre podem ser limpas de forma mecânica, sirvam mais para as operações de pouca manutenção, os produtos de alta viscosidade ou os fluidos com materiais suspensos.
Os ambientes hostis, os altos níveis de solventes, as faixas amplas de pH e outras considerações sobre os processos podem ditar o uso das membranas cerâmicas. Essa tecnologia, adotada em geral para as aplicações de ultrafiltração e microfiltração, usa normalmente um revestimento de alumina ou zircônio que é aplicado na superfície interna do suporte de cerâmica. O custo de capital das membranas cerâmicas é muito mais alto do que o das membranas poliméricas convencionais, mas, em algumas aplicações, as membranas cerâmicas são a única proposta viável. A compensação do alto custo inicial é, no entanto, o fato de que as membranas cerâmicas sempre proporcionam uma vida útil operacional mais longa. A cerâmica não é resistente à abrasão por mais que seja polimérica.
Consulte um Especialista
Escolher a membrana correta para cada aplicação é vital e as empresas com experiência em filtração de membranas (como a Membrane Specialists, por exemplo) podem ajudar os engenheiros a tomarem a decisão acertada. Para muitas aplicações, essas empresas podem fornecer unidades de filtração de membranas como design padrão, o que exige o mínimo de teste. Em outras situações, os engenheiros de projeto podem ter a necessidade de testar o processo no local de forma abrangente. Já nessas situações, os especialistas como os da Membrane Specialists podem ser especialmente úteis porque obtiveram a experiência e o conhecimento para dar soluções aos problemas de filtração em uma ampla variedade de setores industriais e trabalhar com clientes em potencial a fim de elaborar e otimizar soluções de filtração de membranas.
Antes que o especialista defina o sistema de membranas correto para a aplicação, é preponderante fazer algumas avaliações financeiras preliminares para verificar se a instalação de uma unidade de filtração pode ser uma proposta viável. Portanto, alguns critérios de projeto devem ser identificados, tais como:
- a capacidade da planta;
- os custos operacionais; e
- a natureza e a composição desejada da “permeação” (a fração líquida que passa pela membrana) e do “retentado” (a fração concentrada retida pela membrana).
Normalmente, a Membrane Specialists ajudará a definir os critérios de projeto ao conduzir um teste piloto curto no local ou em seu próprio laboratório usando uma amostra da corrente de processos, a fim de restringir a escolha de membranas.
Unidades piloto como esta permitem que os engenheiros avaliem membranas diferentes e testem realmente a incrustação da membrana, a taxa de permeação, a queda de pressão, os níveis de retenção, a eficácia do sistema de limpeza e a qualidade do produto final.
Os equipamentos de teste ou as unidades piloto são instalados no local da fábrica. Isso testará a eficácia do sistema de membranas escolhido em maior escala, utilizando até 161,45 pés2 (15 m²) da área total da membrana. Nos testes iniciais, é importante coletar os dados mais úteis possíveis porque os parâmetros do projeto final se basearão nessas informações. É também importante responder as seguintes questões: O sistema será usado em lote ou modo contínuo? Por quanto tempo a planta pode ficar desligada para limpeza? Quais são os critérios principais para julgar o sucesso? Esses testes iniciais duram normalmente 2-3 semanas, mas podem demorar se o fluido de processos variar em termos de composição ou volume ao longo do tempo. Um procedimento de teste bem planejado poupará tempo e esforços mais tarde.
Com os equipamentos de teste, os engenheiros podem fazer medições reais, incluindo o grau de incrustação da membrana, a taxa de permeação (“fluxo”), a queda de pressão, os níveis de retenção quando a concentração aumenta, a eficácia do sistema de limpeza e a qualidade do produto final. A partir de tais dados, o projeto final do sistema é desenvolvido. Em casos quando a membrana padrão não for adequada para a aplicação em questão, uma nova configuração do sistema de membranas pode ser necessária. Também na etapa piloto, os engenheiros de projeto da Membrane Specialists podem estimar a provável vida útil da membrana e isso é levado em conta ao considerar os custos totais da vida útil do sistema.
A Membrane Specialists LLC aborda imparcialmente a seleção de membranas de fluxo cruzado, o que garante a solução independente apropriada para cada aplicação. A Membrane Specialists oferece a linha completa de geometrias de membranas, incluindo as membranas de fibra oca e espiraladas e as membranas tubulares poliméricas e cerâmicas. Essa escolha de configurações viabiliza o teste em todo o espectro de filtração da osmose reversa, desde a nanofiltração e ultrafiltração até microfiltração. Os testes podem ser realizados nos laboratórios da Membrane Specialists ou no local de sua preferência, com ou sem assistência.
Destaque
Uma fábrica de papel sueca quis obter a “Swan Mark”, símbolo de excelência ambiental. Para tanto, ela precisou reduzir o COD (demanda de oxigênio químico) de seus efluentes do branqueamento em 50%. Os testes iniciais indicaram o entupimento excessivo da membrana das fibras da polpa de madeira. Uma série de avaliações dos diversos tipos diferentes de novas membranas foi conduzida e a configuração final ficou pronta para teste em dois meses. A unidade grande de ultrafiltração mostrada na figura acima foi finalmente instalada e continua a diminuir as liberações do COD da referida fábrica de maneira eficaz sem problemas.