negócios LANXESS
Tecnologia
inovadora resulta
em melhor desempenho
para o tratamento de água
O mundo está
ficando sem água
Até 2025, aproximadamente 1 bilhão de pessoas
não terão acesso à água potável. Com este cenário,
o tratamento de água por osmose reversa (OR),
uma tecnologia de purificação de água que remove
principalmente os íons monovalentes, utilizando uma
membrana semipermeável, pode desempenhar um
papel importante em aliviar a escassez de água. Mas,
para esta tecnologia, os custos de energia também
têm um papel importante. Qualquer melhoria na
tecnologia da membrana ou do elemento pode
aumentar a eficiência do processo.
Em um projeto de pesquisa conjunta, a Conwed
Plastics, empresa líder no fornecimento de soluções
amplas e inovadoras de rede de plástico de fonte
única, com sede em Genk, na Bélgica, e a LANXESS, por
meio de sua unidade de negócios Liquid Purification
Technologies (LPT), um dos principais fornecedores
mundiais de produtos para tratamento de água e
outros meios líquidos, provaram que as inovações
tecnológicas do espaçador resultam em um melhor
desempenho do elemento de OR.
Osmose Reversa,
o processo
Uma pressão aplicada é utilizada para superar a
pressão osmótica natural. As membranas de OR são
oferecidas na forma de elementos espirais para uma
enorme variedade de aplicações em dessalinização.
Frequentemente conhecidos como malha, rede ou
tela, os espaçadores agem como uma das camadas
espirais dos elementos OR e proporcionam uma
separação vital entre as membranas para conseguir
uma filtragem eficiente.
são fabricados a partir de materiais poliméricos
e otimizados para manter o desempenho estável
dos elementos de membrana, para uma ampla
variação de parâmetros da composição de água, de
alimentação e de processo.
Foto: shutterstock.com
Um elemento espiral refere-se a uma configuração
de membrana, constituída por combinações de
“membrana de folha plana - espaçador de canal de
permeado - membrana de folha plana – espaçador
de canal de alimentação”, enroladas em torno
de um tubo de coleta de permeado. Conforme
demonstrado na Figura 1, a estrutura do elemento
de membrana contém o espaçador que separa as
superfícies de envelopes de membranas adjacentes.
O espaçador, configurado como uma rede, mantém
o canal de alimentação
aberto, permitindo que
a água de alimentação
flua dentro dos canais
de alimentação, junto
com o elemento de
membrana; a Figura 2
mostra um elemento de
OR enrolado em espiral.
Desafios da
Osmose Reversa
Três principais desafios são identificados no processo
de tratamento de água por OR. Eles são estudados,
analisados e reconhecidos como itens críticos
para os fabricantes de membranas, enroladores e
operadores de plantas:
• Queda de pressão;
• Danos na membrana;
• Incrustação biológica e escamação;
Estes desafios estimularam os esforços tecnológicos
combinados entre a Conwed Plastics e a LANXESS
para desenvolver produtos de OR mais eficientes.
Efeito de espaçador
na queda de pressão
O espaçador é um componente essencial nos
elementos de membrana em espiral. Os espaçadores
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As configurações
do canal de
alimentação e da
rede do espaçador
são mostradas
esquematicamente
na Figura 3.
O canal de
alimentação,
mostrado na
configuração sem
invólucro, forma
uma abertura
retangular de
especificamente
de 0,7 a 0,9 mm
de altura. Devido à presença do espaçador ou
dos fios da rede no canal de alimentação, a área
real de secção transversal aberta para o fluxo de
alimentação é menor do que a secção transversal
geométrica.
O comprimento do canal de alimentação é de
aproximadamente 1m. A malha do espaçador, que
preenche o canal de alimentação, possui filamentos
ou fios posicionados em dois planos. A característica
de plano duplo faz com que a corrente de alimentação
mude a direção do fluxo a medida que ela flui acima
e abaixo dos filamentos subsequentes. O objetivo do
espaçador, além de manter a abertura do canal de
alimentação, é promover a turbulência da corrente de
alimentação.
A necessidade de turbulência na corrente de
alimentação está relacionada com a natureza
do processo de dessalinização de RO. A água de
alimentação e sais dissolvidos fluem em paralelo à
superfície da membrana, com uma fração da água de
alimentação que passa através da membrana como
permeado, deixando os íons dissolvidos na fração
retida da corrente de água de alimentação.
Este processo gera excesso de concentração de íons
dissolvidos na superfície da membrana, um fenômeno
conhecido como polarização da concentração. A
turbulência induzida pelo espaçador reduz o aumento
da polarização do concentrado, melhorando o
desempenho das membranas de OR. No entanto, a
turbulência induzida pelo espaçador aumenta o atrito
no canal de alimentação, que é traduzido em uma
queda de pressão da corrente de alimentação entre
os pontos de alimentação e saída do elemento.
As configurações atuais de espaçadores, utilizadas
para a construção de elementos de OR em espiral,
foram desenvolvidas com base no experimento
prático e em estudos fundamentais. O objetivo foi
criar uma condição de “mistura de fluxo”, mesmo
nas baixas velocidades de fluxo existentes nos canais
de alimentação dos elementos de membrana em
espiral. Os trabalhos subsequentes de pesquisa
e desenvolvimento demonstraram a importância
da geometria dos filamentos do espaçador, da
configuração angular, bem como do alinhamento do
espaçador com a direção do fluxo de alimentação.
Com base nos resultados experimentais e em
modelagem hidráulica, a configuração do espaçador
nas aplicações de OR evoluiu para uma rede de plano
duplo com aberturas quadradas ou romboides. As
configurações de rede romboides são comumente
conhecidas como rede em diamante. O espaçador é
posicionado no canal de alimentação com filamentos
de rede em um ângulo de aproximadamente 45°
em relação à direção do fluxo de alimentação
(apresentado na Figura 3).
Esta configuração resulta no equilíbrio aceitável
de turbulência suficiente e mistura da corrente de
alimentação, sem queda excessiva de pressão.
Esta orientação da rede do espaçador é aplicada
na grande maioria dos elementos de membrana de
OR e NF (nanofiltração) de configuração em espiral.
A orientação dos espaçadores de alimentação, em
relação à direção da corrente de alimentação, e a
presença de nódulos de suporte de membrana de
alta densidade, resultam em bloqueio significativo
do trajeto do fluxo no canal de alimentação. Por
isso, é necessário que a água de alimentação esteja
muito limpa, com baixa concentração de matéria
em suspensão para um funcionamento estável das
unidades de membrana.
Se o canal de alimentação está limpo, sem partículas
que possam bloquear o fluxo de água de alimentação,
a queda de pressão em um único elemento é
de aproximadamente 0,1-0,2 bar. Em sistemas
de osmose reversa, os elementos de membrana
trabalham confinados em um vaso de pressão. Um
único vaso de pressão geralmente contém de 6 a 8
elementos de membrana, operando em série.
A queda de pressão ao longo de um vaso de pressão
varia entre 0,6 e 1,5 bar. Sistemas de OR de água
do mar são configurados como unidades com
um estágio. Os sistemas de osmose reversa para
aplicações em águas salobras são configurados
principalmente como unidades com dois, ou até três
estágios. Consequentemente, a queda de pressão
combinada em sistemas OR de águas salobras será
maior, frequentemente na variação de 1,5 a 3 bar.
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