Conforme destaca Nascimento (2004), dependendo das aplicações a que são destinadas, as membranas apresentam diferentes estruturas, podendo ser produzidas a partir de qualquer material que permita a síntese de filmes com porosidade controlada. As membranas mais utilizadas mundialmente, como citado por Bassetti (2002), são produzidas a partir de polímeros sintéticos, como as poliamidas, polisulfonas, poliacrilonitrilas, policarbonatos, polieterimidas e o poli(fluoreto de vinilideno). Essas membranas apresentam maior resistência à ação de ácidos e bases fortes e temperaturas próximas ou superiores a 100 °C.
Morfologicamente, as membranas podem ser classificadas em duas categorias: densas ou porosas, o que é definido em função do volume de espaços vazios na matriz polimérica. Tanto as membranas porosas como as membranas densas podem ser ainda classificadas em isotrópicas ou simétricas e anisotrópicas ou assimétricas. As membranas isotrópicas apresentam características morfológicas uniformes ao longo de toda a sua estrutura, com densidade constante, podendo ser porosas ou não. Membranas assimétricas, no entanto, apresentam gradiente de porosidade perpendicular à superfície, sendo as propriedades de separação determinadas principalmente pela região mais densa da membrana (BASSETTI, 2002; NASCIMENTO, 2004). As membranas podem ser classificadas ainda, como homogêneas, quando são constituídas por um único material, e compostas, quando possuem mais de um material. De acordo com Schneider e Tsutiya (2001), em sistemas compostos a camada filtrante é depositada na forma de um filme fino sobre a estrutura suporte, normalmente uma membrana assimétrica de material diferente do filme. A sua espessura varia entre 0,1 e 0,5µm e corresponde a cerca de 1% da espessura do suporte poroso. De acordo com os autores, a utilização destas membranas reduz de forma expressiva os custos operacionais em sistemas de nanofiltração e osmose reversa. Na Figura 8 estão representados, estruturalmente, os tipos mais comuns de membranas porosas isotrópicas e anisotrópicas, densas e compostas.
Figura 8: Classificação das membranas em relação a sua morfologia (NASCIMENTO, 2004).
Quanto à configuração das membranas, estas podem ser classificadas basicamente como planas, muito utilizadas em sistemas de microfiltração e osmose reversa, fibras ocas e capilares, diferenciadas em função do diâmetro (diâmetro inferior a 0,5mm – fibra oca; diâmetro entre 0,5 e 3 mm – capilar), e tubulares, formadas por tubos de material polimérico, cerâmico ou de carbono, com diâmetro variando entre 0,5 a 1 cm (BASSETTI, 2002).
A seletividade da membrana é dada em função da diferença de tamanho entre as moléculas que compõem a mistura de alimentação e os poros da membrana. Na maioria dos processos de separação por membranas porosas, as espécies presentes na alimentação devem ser, quando possível, inertes em relação ao material constituinte da membrana, embora, em algumas ocasiões, interações físico-químicas entre o polímero e os permeantes sejam de interesse (NASCIMENTO, 2004). O fluxo de água na membrana, como destaca Schneider e Tsutiya (2001), é inversamente proporcional à espessura da membrana e a tortuosidade de seus poros e diretamente proporcional à sua porosidade. Membranas com elevada porosidade (grande quantidade de poros por unidade de área) resultam em maiores fluxos. Em geral, poros de maior tamanho resultam em fluxo inicial mais alto do que membranas com tamanho de poros menores, mas, freqüentemente, apresenta redução de fluxo após longo tempo de filtração. De acordo com Choi (2003), se os poros são muito menores do que as partículas, estas não irão ficar aprisionadas no interior dos poros, mas irão se acumular na superfície da membrana, podendo resultar em resistência hidráulica severa.
Os sistemas de separação por membranas podem ser operados de duas formas distintas, frontal ou perpendicular (“dead and filtration”) ou tangencial, também chamado filtração de fluxo cruzado (cross flow filtration), como pode ser observado na Figura 9. Na filtração frontal, a alimentação ocorre perpendicularmente a superfície da membrana. O soluto ou material suspenso contido na corrente de alimentação será retido na superfície da membrana, formando, com o decorrer do processo, um depósito sobre a membrana, aumentando a resistência à transferência de massa, o que caracteriza o fenômeno de polarização por concentração. Na filtração tangencial, por sua vez, o fluxo escoa de forma paralela à superfície da membrana, sendo o acúmulo de material suspenso sobre a mesma minimizado. Como destaca Bassetti (2002), quando maior a velocidade de escoamento tangencial da solução, menor tende a ser a intensidade da polarização por concentração, para uma mesma pressão operacional.
(a) (b)
Figura 9: Modelo esquemático das formas de operação dos processos de separação por membrana. (a) fluxo
tangencial; (b) fluxo perpendicular ou frontal. (Fonte: Web)
O fenômeno de polarização por concentração, citado anteriormente, pode ser caracterizado como o primeiro efeito do acúmulo de partículas, macromoléculas e íons na superfície da membrana, provocando uma queda acentuada no fluxo permeado. Outro fenômeno importante no processo de separação por membranas é o fouling, caracterizado pela formação de uma camada adicional sobre a superfície da membrana, desde o início da filtração, conhecida como “bolo” ou “torta”, formada pela rejeição de moléculas maiores pela membrana (BASSETTI, 2002). Ao contrário da polarização por concentração, o fouling é caracterizado como um declínio de fluxo irreversível, devido à ocorrência de interações entre a membrana e o soluto, e uma possível deposição de material no interior dos poros da membrana, podendo bloqueá-lo
parcial ou totalmente. Na Figura 10 ilustra-se o efeito da polarização por concentração e do fouling da membrana em relação ao fluxo permeado com o tempo de filtração. Como pode ser observado, tem-se inicialmente uma redução acentuada no fluxo permeado com uma conseqüente tendência à estabilidade.
Figura 10: Redução do fluxo permeado em função dos fenômenos de polarização por concentração e fouling
(NASCIMENTO, 2004).
Considerando os mecanismos de remoção para o processo de separação por membranas, como descrito por Amorim (2007), existem basicamente três tipos de mecanismos: separação baseada na diferença de tamanhos das partículas, sendo que a membrana exerce um efeito de peneiramento; separação baseada nas diferenças de solubilidade, difusão e adsorção dos materiais pela membrana (mecanismo de difusão); e separação baseada nas diferenças de cargas elétricas entre o soluto e a membrana (efeito eletroquímico), como ocorre nos processos de eletrodiálise. Na avaliação da eficiência do processo de remoção, deve-se considerar, além dos mecanismos de remoção, a existência de fatores externos como a qualidade da água de alimentação, podendo-se relacionar pH, temperatura, presença de matéria orgânica e outros contaminantes, além de fatores operacionais, como pressão, velocidade tangencial e a concentração de contaminantes na água de alimentação. A influência do pH, da concentração de sais e da temperatura sobre o desempenho de membranas de nanofiltração foi avaliada por Nilsson, Trägårdh e Östergren (2007).