A ocorrência de fouling na operação dos sistemas de filtração com membranas é um dos aspectos mais problemáticos na aplicação destes processos, considerando que ocasiona, além de decréscimo na performance do sistema pela diminuição do fluxo, o incremento nos custos operacionais (energia e substituição de membranas) (AL-MOUDI, 2010).
Vários autores (LI, 2004; HOWE et al. 2006; MOUSA, 2007; GAO et al. 2011; AL-MOUDI, 2010) indicam as substâncias húmicas como a principais causadoras do fouling orgânico, sendo que quanto maior a concentração de poluentes, maior o decréscimo do fluxo permeado.
A ocorrência de fouling nas duas membranas utilizadas (UF e NF) pode ser observada pelo decréscimo do fluxo de permeado produzido, em função do tempo de operação. Na Figura 28 são apresentados os resultados do fluxo de permeado normalizado J/Jo
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(J fluxo de permeado com a amostra e Jo fluxo com água ultrapura) em função do tempo, para as duas membranas testadas, utilizando água do lago e água da ponteira.
Figura 28. Decréscimo do fluxo de permeado em função do tempo para água com pré-tratamento e sem pré-tratamento utilizando as membranas de
NF e UF
(a) NF de água do lago, (b) NF de água da ponteira, (c) UF de água do lago e (d) UF de água da ponteira
(a) (b)
(c) (d)
O fouling coloidal é atribuído à acumulação de partículas presentes formando uma camada sobre a membrana, e absorção de partículas menores no interior da membrana, bloqueando a entrada
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 20 40 60 J /Jo Tempo (min)
NF água lo lago sem pré-tratamento NF água do lago com pré-tratamento
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 20 40 60 80 J / J o Tempo (min)
NF água da ponteira sem pré-tratamento NF água da ponteira com pré-tratamento
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 50 100 150 200 J /Jo Tempo (min)
UF água da ponteira sem-prétatamento UF água da ponteira com pré-tratamento
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 50 100 150 200 J /Jo Tempo (min)
UF água da ponteira sem-prétatamento UF água da ponteira com pré-tratamento
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do poro (MOUSA, 2007) e no caso da nanofiltração a formação de biofilme.
O maior efeito do fouling na membrana de nanofiltração em comparação com a membrana de ultrafiltração, que pode ser observado na Figura 30, está relacionado não apenas com a diferença do tamanho de poro das membranas (1.000 Da para NF e 8.000 Da para UF), mas também com a diferença nas pressões de operação utilizadas (8 bar para NF e 4 bar para UF).
Li (2004) indica que as membranas com menores pesos moleculares de corte apresentam maior tendência ao fouling, em virtude da maior retenção de matéria orgânica por estas membranas em comparação com as de pesos moleculares de corte maiores, o que coincide com as maiores eficiência de remoção de substâncias húmicas obtidas com estas membranas.
No que diz respeito a pressão, Gao et al. (2011) observaram que este parâmetro tem um efeito forte na deposição da MON na superfície da membrana, sendo que maiores pressões causam uma maior deposição nas membranas, como observado nas membranas de nanofiltração.
Considerando que a membrana de nanofiltração é mais afetada pelo fouling, foi realizado um teste de filtração com esta membrana utilizando um tempo de operação maior (6 h), com água do lago com e sem sedimentação prévia, cujos resultados são apresentados na Figura 29. Na Figura 30 apresentam-se as imagens das membranas de nanofiltração utilizadas, após o período de filtração.
Figura 29. Decréscimo do fluxo de permeado em função do tempo para água do lago bruta e sedimentada, utilizando as membranas de
nanofiltração. 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 0 50 100 150 200 250 300 350 400 J /J o Tempo (min)
AGUA SEM PRÉ-TRATAMENTO AGUA COM PRÉ-TRATAMENTO
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Figura 30. Fotografias das membranas de nanofiltração após uso com (a) água bruta do lago e (b) água coagulada e sedimentada do lago
(a) (b)
O decaimento do fluxo na água bruta foi constante até aproximadamente uma perda de um pouco mais de 30% do fluxo inicial, atingido no tempo próximo a 120 minutos de operação, sendo que ficou relativamente estável no tempo restante do teste. Por outro lado, com água coagulada, o decaimento foi constante durante os 280 minutos iniciais de operação, chegando a um valor de aproximadamente 80% do fluxo obtido para água ultrapura, sendo que após este tempo permaneceu relativamente estável durante o tempo do teste.
Al-Amoudi (2010) indica que o fouling orgânico, ocorre principalmente na fase do inicio da filtração. Este comportamento pode ser observado claramente no desempenho da nanofiltração da água bruta do lago, em comparação com a água previamente coagulada, floculada e sedimentada. O decréscimo inicial observado na água bruta pode ser atribuído então a frações maiores de substâncias húmicas e ferro em menor proporção, que por serem removidos no processo de sedimentação não afetam o desempenho no caso da filtração da água com tratamento prévio.
Ainda, o mesmo autor expressa que os depósitos encontrados em análises de membranas na filtração de águas superficiais consistem em mistura de matéria orgânica, ferro, cálcio, magnésio, fósforo, entre outros constituintes químicos tipicamente encontrados nas águas.
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No caso da filtração da água bruta, tanto a matéria orgânica como o ferro contribuiriam em maior medida com a ocorrência de
fouling, sendo que outras substâncias que foram removidas em
menor medida pelas membranas, tais como os íons Ca+2 e Mg+2, também contribuiriam na ocorrência deste fenômeno.
Como esperado, a água sedimentada apresenta um decréscimo menor no fluxo de permeado com o tempo, se comparado à água bruta.
Alguns autores (HOWE et al., 2006; SHENGJI et al., 2008; GAO
et al., 2011) já indicaram a coagulação como um pré-tratamento
adequado para os processos com membranas, pois a mesma consegue remover compostos que contribuem para a ocorrência de
fouling nas membranas.
Li (2004) indica que as frações húmicas de maiores tamanhos moleculares ocasionam maior decaimento no fluxo, sendo que no presente caso as substâncias com maiores pesos são removidas na coagulação, floculação e sedimentação, melhorando assim a performance da membrana na filtração e reduzindo o decréscimo do fluxo.
Desta maneira, o decréscimo do fluxo apresentado com água coagulada possivelmente é causado pelas frações de substâncias húmicas de menor tamanho não removidas no processo de coagulação, assim como outras substâncias orgânicas tais como polissacarídeos ou proteínas (que são uma parte minoritária da matéria orgânica natural), ocasionando fouling irreversível, segundo dados de GAO et al. (2011).
Em processos realizados em maior escala esta melhora na filtrabilidade por conta do pré-tratamento realizado traz não só um aumento na produtividade dos sistemas derivado do maior fluxo de permeado, mas também um aumento no tempo entre retrolavagens e limpezas químicas, o que prolonga a vida útil das membranas.
Considerando a remoção de contaminantes e as características de fluxo de permeado, a técnica de nanofiltração precedida de coagulação, floculação e sedimentação, apresentaram-se como uma boa alternativa no tratamento de água com elevados teores de substâncias húmicas de baixo peso molecular e ferro dissolvido.
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6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES