Avaliação de tecnologias visando ao reuso de efluentes
Nº 3 • Julho• 2004
Caro leitor,
Este é o terceiro informativo da série
que irá apresentar os aspectos mais
relevantes do estado da arte das
tecnologias selecionadas para o
tratamento de efluentes visando ao
reuso da água.
Neste
número
estaremos
apresentando a tecnologia de
eletrodiálise reversa, selecionada
pelos
testes-piloto
como
a
tecnologia mais viável para a
remoção de íons nos efluentes de
refinarias. O estado da arte foi
elaborado pela Química de Petróleo
Junior Mara de Barros Machado,
responsável no CENPES, pelo
acompanhamento operacional e
avaliação dos resultados da planta
piloto.
Para maiores informações, fale com
Mara
tel.
(21)
3865-4932,
[email protected]
ou consulte o documento MCT 65020652.
Equipe
CENPES/PDEDS/BTA
Vânia Santiago (coordenação)
Priscilla Florido, Eduardo Sabóia,
Rodrigo Suhett, Ana Paula Torres,
Mara Machado, Adriana Valente.
Fernando Campos, Hudson Torquato (contratados)
REGAP
Eloisia Coelho, Cláudia Zanette,
Mauro Souza
Abast-Ref/AER
Tsutomo Iwane, Fátima Ferreira
Engenharia
Heleno Almeida, Eduardo Ferreira,
Montserrat Carbonell
SMS corporativo
Antônio Peres
Operação: Oto, Ângelo, Fabrício
Kátia, Fabiana (contratados)
Clientes participantes:
REVAP: Kayano, Celso Scofield
REPLAN: Tadeu Furlan, Bentaci
LUBNOR: Romino Ayres
Eletrodiálise Reversa
Eletrodiálise é um processo de separação eletroquímica, no
qual os íons são transferidos através de membranas de uma
solução menos concentrada para uma mais concentrada com
aplicação de corrente elétrica direta.
Quando um potencial é aplicado nos eletrodos, os cátions
são atraídos para o eletrodo negativo (catodo) e os ânions para o
eletrodo positivo (anodo). Ocorrem reações de dissociação da
água envolvendo o ganho de elétrons (redução) no catodo, e
perda de elétrons (oxidação) no anodo. Estas reações dão origem
à produção de cloro, oxigênio e íons H+ no anodo, hidrogênio e
íons hidroxila no catodo.
A tecnologia de eletrodiálise reversa baseada neste
processo remove essencialmente íons com cargas elétricas
positivas e negativas até um peso molecular limite de
aproximadamente 3000. Não são removidos materiais
particulados e substâncias neutras ou iônicas de peso molecular
maior que os poros da membrana.
A aplicação de potencial nos eletrodos dá origem a
compartimentos de solução desmineralizada e solução
concentrada. Em aplicações normais centenas desses
compartimentos são agregados em um módulo de membranas
para obter a vazão desejada, constituindo-se no coração do
processo de eletrodiálise reversa.
Plantas de eletrodiálise podem ser operadas por batelada,
com recirculação da água tratada ou de forma contínua, e podem
conter um ou mais estágios, dependendo do tipo de água de
alimentação e das especificações da água tratada.
O sistema de eletrodiálise reversa (EDR) objetiva a
produção contínua de água desmineralizada sem a adição
constante de produtos químicos durante a operação normal,
portanto eliminando um dos maiores problemas encontrados em
sistemas unidirecionais.
O sistema de EDR utiliza polaridade elétrica reversa para
controlar continuamente deposições e incrustações. Nesses
sistemas a polaridade dos eletrodos é invertida de 3 a 4 vezes a
cada hora, mudando o sentido do movimento dos íons dentro do
módulo de membranas, e assim controlando a formação de filmes
e incrustações.
A maneira pelo qual a estrutura do módulo de membranas
é montada é chamada de estágio. O objetivo do estágio é prover
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Efluentes Hídricos: Resultados em P&D • Nº 3• Julho • 2004
área de membrana e tempo de retenção suficiente
para remover uma quantidade de sal específica da
corrente desmineralizada. Tipicamente, a remoção
máxima de sal para cada estágio hidráulico é de
55-70%.
Os principais fatores a serem considerados
na aplicação de eletrodiálise são: polarização da
membrana, eficiência de utilização da corrente
elétrica, potencial de formação de precipitados,
potencial de fouling e consumo de energia.
A Figura 1 abaixo mostra um módulo
típico, com espaçadores de polietileno de baixa
densidade entre as membranas, que têm por
objetivo direcionar o fluxo além de criar
turbulência na corrente promovendo a mistura,
auxiliando na transferência de íons e diminuindo
as camadas-limite e sólidos da superfície da
membrana.
-
-
Catodo
- (-)
-
-
Membrana Aniônica
seguir mostra a estrutura química de uma típica
membrana catiônica.
O
S OO
O
S OO
O
S OO
Na+
Cátions em movimento
Na+
Na+
Sítios aniônicos fixos
fij
Estrutura de suporte (Polímero)
Figura 2: Membrana de troca catiônica
A membrana aniônica (Figura 3) é
essencialmente uma resina trocadora de ânions
moldada em forma de chapa com espessura
variável. Durante sua produção, cargas positivas
são fixadas em sua matriz. Essas cargas são íons
quaternários de amônio, que repelem íons
positivos e permitem a transferência de íons
negativos.
Concentrado
Bloqueio
do
Espaçador
Membrana Catiônica
Produto desmineralizado
CH 3
ClN+
CH 3 CH 3
Concentrado
CH 3 ClN+
CH 3 CH 3
Membrana Aniônica
Fluxo
Turbulento
Membrana Catiônica
+
+
Anodo
+ (+)
+
+
Figura 1: Montagem típica de um módulo de
membranas
As membranas aniônicas e catiônicas
possuem as seguintes propriedades: baixa
resistência elétrica, insolúveis em solução aquosa,
semi-rígidas para facilitar manuseio durante
montagem do módulo, resistentes a mudanças de
pH entre 1 e 10 e a temperaturas maiores que 46
°C.
As membranas possuem a aparência física
de uma chapa plástica, são essencialmente
impermeáveis à água sob baixa pressão e são
reforçadas por um tecido de fibra sintética.
Uma membrana ideal de eletrodiálise
deveria ser permeável somente a cátions ou
ânions, mas na realidade sempre ocorre algum
co-transporte de íons com carga oposta, podendo
também ocorrer transferência elétrica da água
através das membranas.
A membrana catiônica é essencialmente
uma resina trocadora de cátions moldada em
forma de chapa, com área que varia entre 0,5 e 2
mm, possuindo coloração âmbar.
Durante sua produção, cargas negativas,
grupos sulfonados, são fixadas em sua matriz,
responsáveis por repelir íons negativos e permitir
a transferência de íons positivos. A Figura 2 a
CH 3 ClN+
CH 3 CH 3
Ânions em movimento
Sítios catiônicos fixos
Estrutura de suporte (Polímero)
Figura 3: Membrana de troca aniônica
Os compartimentos dos eletrodos estão
normalmente localizados no topo e na base do
módulo de membranas. Os eletrodos são
usualmente de titânio com capeamento de platina.
A vida útil de um eletrodo é geralmente
dependente da composição da corrente iônica e
da amperagem por unidade de área do eletrodo.
Em geral, altas amperagens e águas ricas em
cloretos, ou altas tendências de incrustações
tendem a diminuir a vida útil do eletrodo.
O consumo de energia em sistemas de
eletrodiálise
é
devido
principalmente
ao
fornecimento da corrente contínua necessária
para operação e bombeamento de água.
Mara de Barros Machado
Química de Petróleo Júnior
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