Fonctionnement général

A obstrução da membrana, e consequente alterações das condições operacionais, ocorre devido ao acúmulo de soluto na sua superfície. Esse soluto pode provocar os fenômenos de polarização de concentração (PC), incrustação por matéria orgânica/inorgânica (fouling) e incrustação biológica (biofouling).

A polarização de concentração é um fenômeno intrínseco e inevitável dos PSM, uma vez que a superfície da membrana atua como uma barreira seletiva onde o soluto é retido. Esse soluto acumulado na superfície leva a um aumento da densidade superficial de cargas nessa região, gerando uma pressão osmótica no sentido da alimentação. Esse fenômeno cria processos difusivos forçando o soluto retornar para a solução, reduzindo a pressão

38

transmembrana e diminuindo o fluxo de permeado (USEPA, 2005). O soluto acumulado na superfície da membrana também cria uma região de maior viscosidade, gerando uma resistência adicional à passagem da água, reduzindo ainda mais a recuperação.

O efeito da polarização de concentração é mais expressivo quando o fluxo de alimentação da membrana é frontal, uma vez que nessa concepção ocorre maior acúmulo de soluto na superfície da membrana, enquanto no fluxo tangencial o soluto é mantido em suspensão, reduzindo o efeito da PC. Dessa forma, o fluxo tangencial minimiza o fenômeno de polarização de concentração, podendo estabilizar esse fenômeno e permitindo que o PSM ocorra em regime estacionário, ou seja, com fluxo de permeado constante (Mulder, 1991; Harber et al, 2006).

A polarização de concentração provoca uma queda no fluxo de permeado, até que o regime estacionário seja atingido. Porém o que se observa na prática é um decréscimo contínuo do fluxo do permeado, indicando possíveis alterações na membrana. Essas alterações são incrustações (fouling), que podem levar a fluxos tão baixos que inviabilizem a aplicação do PSM (Harber et al., 2006; Schneider e Tsutiya, 2001, entre outros). A Figura 3.12 ilustra o comportamento do fluxo de permeado ao longo do tempo, destacando os fenômenos de PC e fouling ao longo do tempo. A polarização de concentração é um processo reversível, ou seja, após a limpeza o fluxo retoma as condições inicias, porém, a incrustação ou fouling pode ser parcial ou totalmente irreversível.

Figura 3.12 – Variação esquemática no fluxo de permeado com o tempo de operação ocasionada pela polarização de concentração e fouling (Harber et al., 2006)

39

Compostos orgânicos como os ácidos fúlvicos e húmicos também podem ser adsorvidos ou depositados na superfície das membranas provocando variações no fluxo de permeado e modificando as características da superfície, como a hidrofobicidade e carga. Segundo Schäfer (1999) a presença de matéria orgânica natural (MON) e cálcio em águas superficiais podem causar obstruções graves nas membranas de nanofiltração.

Diante dos fenômenos de obstrução, a operação dos PSM depende da remoção periódica do material depositado na superfície da membrana, que neste trabalho será denominado de torta. Geralmente a torta é removida periodicamente por processos de retrolavagem. Essa técnica normalmente é aplicada em membranas de microfiltração e ultrafiltração, sendo indicada sempre que a pressão transmembrana ou o fluxo de permeado atingem valores pré-definidos. A retrolavagem é realizada pelo bombeamento do permeado através da membrana no sentido inverso ao da filtração.

Os sistemas de retrolavagem devem restaurar o fluxo da membrana em valores próximos ao valor inicial. Porém, o que se observa é que a cada retrolavagem é verificada uma redução progressiva em relação ao fluxo inicial, causada pelo acúmulo de material na superfície da membrana, que deve ser periodicamente removido por limpeza química (Schneider e Tsutiya, 2001). A Figura 3.13 representa a realização de ciclos de retrolavagem e a restauração decrescente do fluxo de permeado em relação ao fluxo de permeado inicial.

Figura 3.13 – Monitoramento do fluxo de permeado com representação dos ciclos de lavagem e restauração do fluxo (FILMTEC™, 2015a).

F luxo de pe rm e a do nor m a li z a do Tempo

40

Para sistemas que operam com fluxo de fora para dentro (out-in) pode ser realizada a retrolavagem com ar comprimido, que pode ocorrer por meio do bombeamento do ar comprimido pelo canal de permeado, conforme ilustrado na Figura 3.14 (a) ou pela alimentação Figura 3.14 (b).

Figura 3.14 – (a) Retrolavagem com ar injetado pelo canal de permeado (Schneider e Tsutiya, 2001); (b) Retrolavagem com ar injetado pela alimentação (Kuraray, 2015)

Como pode ser percebido pela Figura 3.14(a), durante injeção de ar sob alta pressão, no interior da fibra, em sentido inverso à direção do fluxo de permeado, o deslocamento rápido da onda de expansão da fibra causada pelo pulso de ar comprimido desestrutura a torta, que se desprende da membrana. O material desprendido é removido do interior do módulo através da retrolavagem tangencial com o permeado (Schneider e Tsutiya, 2001). Já no segundo caso ilustrado pela Figura 3.14(b), ocorre o relaxamento da membrana (filtração é interrompida e o sistema é despressurizado) e o ar comprimido é injetado pelo canal de alimentação provocando uma agitação nas membranas, que estão soltas na parte inferior do módulo, e esse movimento auxilia o desprendimento da torta das paredes, além de facilitar a remoção de todo material que tenha ficado preso entre as fibras. Este esquema de limpeza foi utilizado neste trabalho.

Souza e Basu (2013) testaram e compararam o efeito combinado de lavagem com ar, retrolavagem e relaxamento da membrana (5 ou 15 min) na redução do fouling em uma membrana de ultrafiltração aplicada ao tratamento de água. A membrana utilizada era fabricada em PVDF, em fibra oca, modelo ZW-1 (Zenon/GE, Oakville, Canadá) com tamanho de poro de 0,04 µm e vazão de 30 mL/min. Foram adotadas pressões entre 0 e

41

0,6bar e a taxa de ar utilizada para a limpezas variou entre 0 e15 L/min. O sistema foi operado com membrana submersa. A duração mais longa de relaxamento (15 min) da membrana apresentou vantagem para a redução da incrustação. A combinação dos três tipos de limpeza se mostrou superior na redução do fouling, quando comparada às outras possíveis combinações.

A retrolavagem normalmente não é aplicada em módulos espirais, devido ao possível comprometimento da estrutura da membrana e do bloqueio dos canais de alimentação por pedaços de torta que se desprenderiam durante o processo. Assim, no caso das membranas de NF e OI, que utilizam membranas semipermeáveis não porosas em módulos espirais, o controle da qualidade da alimentação deve ser rígido, geralmente há necessidade de um pré-tratamento que garanta uma redução significativa de partículas suspensas. A restauração das condições iniciais da membrana é realizada pela limpeza química.

Segundo Liikanen et al. (2002) a limpeza química é o método mais utilizado em membranas de NF, e deve ser eficaz contra a PC e a incrustação, garantindo a restauração e manutenção das características da membrana. A temperatura, pH, pressão, fluxo e concentração das substâncias utilizadas também são aspectos importantes durante a limpeza química. Assim, a escolha do produto químico depende das reações químicas necessárias para quebrar as ligações e as forças de coesão entre as membranas e o material que se deseja remover. Geralmente essas reações químicas são: hidrólise, saponificação, solubilização, dispersão, suspensão, sequestro, quelação, e peptização (Schäfer et al, 2005; Trägardh, 1989).

Chen et al. (2004) reforçam e complementam esse entendimento, afirmando que os produtos químicos utilizados durante a limpeza química devem, além de restaurar e manter as características da membrana, possuir as seguintes propriedades: liberar e dissolver incrustações da superfície da membrana; manter incrustações na forma dispersa e solúvel; não causar danos ao material da membrana; ser facilmente removido após a limpeza; ser quimicamente estável antes, durante e após o uso; ser economicamente viável.

Assim é importante realizar uma caracterização detalhada da água bruta, e dessa forma, prever qual o tipo de material que deverá ser removido durante a limpeza e o produto químico adequado para esse fim. Antes de se realizar a limpeza também é importante

42

conhecer os limites máximos e mínimos de temperatura e pH suportados pela membrana, bem como a resistência da membrana e de todos os componentes do sistema aos produtos químicos utilizados. Por exemplo: alguns ácidos e desinfetantes utilizados podem oxidar outros componentes do sistema; alguns surfactantes podem ser adsorvidos sobre as membranas de poliamida provocando a redução do fluxo de permeado, além disso essas membranas também não são resistentes à ação de oxidantes e desinfetantes fortes como peróxido de hidrogênio e hipoclorito (Trägardh, 1989).

A Tabela 3.8 apresenta alguns produtos químicos e concentrações comumente utilizadas, além de uma breve descrição da ação da limpeza desses produtos.

Tabela 3.8 – Produtos químicos e concentrações comumente utilizados na limpeza de membranas e suas ações de limpeza Chen et al (2004).

Produto químico Fórmula química Concentração (%) Ação de limpeza