XXXIII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO
A Gestão dos Processos de Produção e as Parcerias Globais para o Desenvolvimento Sustentável dos Sistemas Produtivos
Salvador, BA, Brasil, 08 a 11 de outubro de 2013.
ANÁLISE COMPARATIVA DO
PROCESSO DE ELETRODIÁLISE COMO
FERRAMENTA ANALÍTICA PARA
REDUÇÃO DE CONSUMO ENERGÉTICO
DO PROCESSO DE DESSALINIZAÇÃO
DA ÁGUA SALOBRA
Caio Cezar Neves Kunrath (UESC )
[email protected]
Joao Thiago de Guimaraes Anchieta e Araujo Campos (UESC )
[email protected]
Eduardo Braga Costa Santos (UESC )
[email protected]
FRANCODANI RICO AMADO (UESC )
[email protected]
A necessidade de soluções alternativas para a produção de água
potável se torna cada vez mais importante devido, entre outros fatores,
a escassez hídrica causada pelas mudanças climáticas. Apesar da água
ser o elemento mais abundante no plaaneta Terra, apenas 3% do
volume total existente é água doce, sendo que menos de 1% está
acessível para consumo humano. No Brasil, o acesso a água potável é
um problema recorrente, principalmente em regiões afetadas pela má
distribuição pluviométrica. No Nordeste, a estiagem causada pela falta
de chuva causa grave problemas sociais e econômicos tornando-se
necessário o desenvolvimento de métodos para o tratamento de outras
fontes. Entre os métodos atualmente utilizados, a dessalinização de
águas salobras vem se destacando pelo uso de água salobra, esta com
pouco uso em escala comercial. Pelo método de eletrodiálise (ED) é
possível a retirada de sais e impurezas de águas impróprias para o
consumo, no qual, por um processo eletroquímico, utiliza-se de
membranas seletivas para a separação de íons por meio de um
potencial elétrico. Porém, o custo gerado pelo potencial elétrico
aplicado demonstra que é de suma importância o desenvolvimento de
métodos e pesquisas para a redução do consumo de energia elétrica na
produção de água potável. Logo, o estudo de métodos de otimização do
processo de ED torna-se necessário para a redução de custos e,
consequentemente, desenvolver um processo otimizado de
dessalinização acessível ao consumidor. O presente trabalho analisa o
comportamento de diferentes concentrações de NaCl (Cloreto de
Sódio) no processo de ED sob uma tensão constante. Três diferentes
concentrações (30g/l, 25g/l e 20g/l) de NaCl , aplicadas a uma tensão
constante de 10 v foram analisadas com base na variação de corrente
com uma duração total de 8 horas (registro do valor da corrente de 10
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em 10 minutos). Para a análise do comportamento da variação da
corrente entre as membranas seletivas, utilizou-se o valor comum de
0,42 A como ponto base, este denominado ponto triplo. O gráfico
resultante demonstra que a variação da corrente a partir do ponto
triplo é não-linear, sendo que há uma taxa de variação maior para a
concentração de 20 g/l. Para a concentração de 30 g/l, existe uma
diminuição na taxa de variação da corrente, comportamento contrário
às duas concentrações também estudadas. Logo, com base nesse
trabalho é possível afirmar que a otimização do processo de ED é uma
solução real para a redução do consumo energético e, assim, garantir
a sua viabilidade para o uso em pequena escala de produção.
Palavras-chaves: Eletrodiálise
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1. Introdução
A necessidade de soluções alternativas para a produção de água potável se torna cada vez
mais importante devido, entre outros fatores, a escassez causada pelas mudanças climáticas.
Apesar da água ser o elemento mais abundante no planeta Terra, apenas uma pequena porção
está disponível para o consumo humano, sendo que a maior parte se encontra nos oceanos.
Aproximadamente 3% do volume total existente é água doce, entretanto apenas 0,323% do
total são acessíveis (SHIKLOMANOV, 1998), pois grande parte está localizada nos pólos em
forma de calotas polares. Por conta da distribuição desigual de toda água existente no planeta
(GEO-MUNDI, 2004), diversas regiões são naturalmente prejudicadas por ausência de
precipitações ou grandes intervalos de tempo entre os períodos de chuva. No Brasil, a região
nordeste é a que mais sofre com a má distribuição pluviométrica ao longo do ano, fazendo
com que a população, principalmente do interior desta região, tenha que percorrer longas
distâncias para captar água, esta consumida também por animais e sujeitas a contaminação
bacteriológica. Como solução do problema, a construção de açudes com o intuito de
armazenar a água superficial assim como a perfuração de poços artesianos para
aproveitamento da água subterrânea são utilizadas. (CARVALHO, 1995).
Dessas duas estratégias, a perfuração de poços é a que demanda maior destaque e estudo, pois
em uma grande parte dos poços perfurados é encontrada água salobra, ou seja, imprópria para
consumo humano. Por essa razão, águas salobras e marinhas são objetos de estudo em
abastecimento de cidades onde há escassez de recursos hídricos (WITTHOLZ, 2008). Tornase necessário a busca por soluções alternativas para a dessalinização da água e,
consequentemente, produção de água potável. Diferentes processos de dessalinização são
estudados e desenvolvidos em todo o mundo, dentre eles destacam-se a osmose reversa, a
evaporação e a eletrodiálise. Esta ultima apresenta algumas vantagens significativas sobre as
demais, dentre as principais vantagens destaca-se a economia no processo em águas com
baixas concentrações salinas e o tratamento da água sem a inserção de reagentes que geram
efluentes. Porém, a eletrodiálise utiliza de uma diferença de potencial aplicado para a remoção
de sais gerando um consumo energético. O consumo energético do processo de eletrodiálise
se torna um problema quando este é usado para o tratamento de grandes quantidades de água,
então é necessário buscar soluções que diminuem o consumo de energia e que torne esse
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método mais sustentável. Logo, o objetivo desse estudo é a análise do processo de
dessalinização da água salobra com base em diferentes concentrações salinas para a
otimização do consumo de energia.
2. Revisão bibliográfica
2.1. Eletrodiálise
A eletrodiálise (ED) é um processo eletroquímico que utiliza membranas seletivas para a
separação de íons por meio de um potencial elétrico (AMADO, 2012)), possibilitando a
dessalinização da água salobra. A introdução de membranas seletivas a íons permite a
separação de ânions e cátions. Uma célula de eletrodiálise típica consiste de uma série de
membranas seletivas do tipo iônicas e catiônicas, arranjadas alternadamente entre um ânodo e
um cátodo formando células individuais. As membranas seletivas separam diferentes
compartimentos que, devido ao caráter de separação iônica, não permite a passagem de íons
diferentes como ilustra a figura 1:
Figura 1 -Vista isométrica da célula de eletrodiálise composta por: Reservatórios (R1, R2, R3,
R4 e R5), Bombas (B1, B2, B3, B4 e B5) e Espaçadores (S1, S2, S3, S4 e S5)
Fonte: Moura (2012)
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Quando aplicado uma diferença de potencial no ânodo e cátodo, os íons tendem a se
movimentar. Se a membrana iônica permitir a passagem de um tipo de íon, o outro será
bloqueado e assim haverá a separação iônica. A figura 2 mostra todo o processo de separação
assim como as concentrados e diluídos que são gerados ao longo do procedimento.
Figura 2 – Representação esquemática do funcionamento de um sistema de eletrodiálise com dois pares de
membranas
Fonte: Adaptado de Amado (2002)
2.2. Aplicações da eletrodiálise
(KROL, 1997) afirma que "o interesse na aplicação da eletrodiálise foi impulsionado por
Meyer e Strauss, que propuseram um modelo onde membranas aniônicas e catiônicas fossem
arranjadas alternadamente para formar vários compartimentos paralelos entre eletrodos". No
início, a principal aplicação foi a dessalinização de água salobra, mas com o passar do tempo
foram surgindo novas aplicações, como o tratamento de efluentes industriais, em especial do
setor alimentício. Segundo (STRATHMMANN, 1995), “a produção de água potável a partir
de águas salobras é a mais importante aplicação em larga escala da ED, em termos de número
de instalações nos Estados Unidos”. (AMADO, 2002) complementa esta afirmação
comparando o processo de ED com outros processos e expondo algumas vantagens: "a
aplicação mais importante da eletrodiálise em ampla escala é a produção de água potável
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proveniente da água salobra, competindo com a osmose inversa e a evaporação". Para a água
com baixas concentrações salinas (< 5.000 m.g.L-1), a eletrodiálise é um dos processos mais
econômicos. Outra característica significativa da eletrodiálise é que não é necessário a adição
de nenhum reagente ou solução ao processo, implicando em custo mais acessível e menores
riscos ambientais. Por outro lado, (MOURA, 2012) afirma que é possível produzir sal em
larga escala como já é feito em alguns países do hemisfério norte, cujo uso se dará
principalmente na indústria alimentícia local.
A utilização de ED na indústria vêem sendo alvo de muito estudo e investimento.
(STRATHMMANN, 1995) aponta que o soro do queijo normal contém entre 5,5% a 6,5% de
sólidos dissolvidos em água. Apesar do soro do queijo ser uma excelente fonte de lactose,
proteínas, minerais e vitaminas, não é considerado como alimento, uma vez que apresenta alta
concentração de sal e este pode ser processado através da ED. Em suas pesquisas,
(PROENÇA, 2009) fala que a remoção do sal ionizado do soro do queijo possibilita também a
aproximação da sua composição a do leite humano, logo pode ser empregado na produção de
alimentos para bebês, fazendo com que a ED seja um processo viável para a desmineralização
parcial do soro do queijo. Na indústria química, ela vêem ganhando espaço no tratamento de
efluentes de águas principalmente das indústrias de galvanoplastia e apresenta vantagens
como o reaproveitamento da água usada no processo.
2.3. Membranas trocadoras de íons
Membranas são barreiras seletivas entre duas fases, a qual restringe total ou parcialmente as
espécies presentes nas fases. As membranas podem ser naturais ou sintéticas, neutras ou
carregadas. Existem diferentes membranas para ED e segundo (MULDER, 1996), elas podem
ser finas ou espessas e sua estrutura homogênea ou heterogênea. As membranas íon-seletivas
homogêneas são produzidas por polimerização de monômeros funcionais ou por
funcionalização adicional de um filme polimérico, em um processo denominado sulfonação
(AMADO, 2002). Para as membranas heterogêneas, (PROENÇA, 2009) define como ”finas
partículas de troca iônica, coloidais e embebidas em uma folha inerte de polietileno, resinas
fenólicas ou poli (cloreto de vinila)”. As membranas também podem ser densas e porosas. A
figura 3 apresenta as morfologias mais comuns observadas em membranas comerciais. Tanto
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as membranas densas como as porosas podem ser isotrópicas ou anisotrópicas, ou seja, podem
ou não apresentar as mesmas características morfológicas ao longo de sua espessura.
Figura 3: Representação esquemática da seção transversal dos diferentes tipos de morfologia de
membranas
Fonte: Habert(1998)
Para (XU, 2005), as membranas íon-seletivas são classificadas em membranas íon-seletivas
aniônicas e membranas íon-seletivas catiônicas, dependendo do tipo de grupos iônicos ligados
a matriz da membrana.(AMADO, 2002) aponta que as membranas de troca iônica devem
apresentar algumas propriedades que garantam a sua performance. As principais propriedades
são: alta resistência mecânica e estabilidade dimensional, alta resistência química, ou seja, a
membrana deve ser estável a uma faixa de pH de 0 a 14, inclusive em presença de agentes
oxidantes, alta permoseletividade iônica, baixa resistência elétrica à passagem de íons através
da membrana, garantindo um menor consumo de energia do processo de eletrodiálise e baixa
difusão de água.
3. Objetivo geral
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O objetivo desse estudo é análise da variação de concentração de cloreto de sódio (NaCl)
como ferramenta de auxílio na tomada de decisão para a otimização do processo de
dessalinização da água salobra.
4.Método
Para a análise do processo foi definido a tensão aplicada em 10 volts. Como a corrente é
diretamente proporcional à tensão aplicada, a resistência dos compartimentos são as variáveis
do processo, já que a movimentação dos íons nos compartimentos modifica a resistência a
corrente aplicada. Logo, foi feito um estudo sobre a variação da resistência medido pela
condutividade de cada compartimento.
A estação de ED utilizada é composta por cinco compartimentos feitos de acrílico (4,0 x 4,0 x
1,0 cm), separados por membranas de troca iônica. Entre cada um dos compartimentos, foram
colocados duas juntas de vedação, a fim de evitar problemas com vazamentos e facilitar a
instalação e posicionamento das membranas. A unidade de eletrodiálise é composta por duas
membranas de troca catiônica e duas membranas de troca aniônica, colocadas alternadamente
e separadas por uma distância média de 20 mm cada.
As membranas comerciais utilizadas nesta ED possuem as características especificas, as quais
são apresentadas na tabela seguinte:
Tabela 1: Características das membranas utilizadas na célula de eletrodiálise
Parâmetro
Unidade
HDX100 CATIÔNICA
HDX200 ANIÔNICA
Concentração de água
%
35-50
30-45
Capacidade de troca iônica
Mol Kg-1 (seca)
2,0
1,8
Ohm cm -2
20
20
Resistência a ruptura
MPa
0,6
0,6
Grau de expansão
%
0,2
0,2
Resistência superficial da
membrana (0,1 mol NaCl)
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Permeabilidade a água
mL h cm-2
0,1(abaixo de 0,2 MPa)
0,2(abaixo de 0,035 MPa)
Fonte: Machado (2008)
As bombas utilizadas para manter as soluções homogêneas são bombas centrífugas modelo
EBS 25, com vazão de 10 litros/min. e pressão de 1,5 mca (MOURA, 2012).
Foram realizados três experimentos com concentrações diferentes de água salobra, esta
produzida em laboratório por meio de um destilador de águas tipo Pilsen SL 71/5, e Cloreto
de Sódio (NaCl) XXIII USP produzido pela Vetec Química Fina em concentrações de 30g/l,
25g/l e 20g/l. Por um período de nove horas, manteve-se a tensão aplicada constante em 10 V.
A medição da condutividade é feita de 10 em 10 minutos de todos os compartimentos durante
o período de eletrodiálise.
Figura 4: Estação de Eletrodiálise em Nível Laboratorial e Fonte de alimentação
Fonte: Autoria própria
No final do processo obtêm-se como resultados água destilada em dois reservatórios, um
concentrado de cloro próximo ao polo positivo, um concentrado de Cloreto de sódio no
reservatório do meio e um concentrado de sódio próximo ao pólo negativo.
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5. Resultados
Após as análises dos dados coletados nos três experimentos, foi possível identificar o
momento em que os três experimentos possuíram o mesmo valor de corrente, o que significa
que neste momento o valor da resistência total dos três sistemas é igual. Este valor de corrente
identificado é denominado como ”ponto triplo”, devido ao valor igual da corrente. Como a
tensão aplicada é uma constante no processo, a relação da condutividade e corrente permite a
análise da variação da corrente em relação ao tempo para diferentes concentrações totais de
cada experimento realizado com base na tabela 2:
Tabela1- Dados dos experimentos coletados que relacionam a corrente em função do tempo, em
diferentes concentrações de NaCl
Tempo
30g/l
25g/l
20g/l
/min.
Tempo/
30g/l
25g/l
20g/l
min.
Tempo
30g/l
25g/l
20g/l
/min.
0
0,52
0,39
0,38
160
0,44
0,43
0,42
320
0,38
0,40
0,33
10
0,52
0,40
0,40
170
0,47
0,43
0,42
330
0,37
0,39
0,33
20
0,51
0,40
0,41
180
0,47
0,43
0,42
340
0,36
0,38
0,32
30
0,51
0,40
0,42
190
0,47
0,43
0,41
350
0,35
0,38
0,31
40
0,51
0,42
0,43
200
0,46
0,43
0,41
360
0,35
0,37
0,30
50
0,50
0,43
0,43
210
0,46
0,42
0,41
370
0,34
0,37
0,30
60
0,50
0,43
0,43
220
0,45
0,42
0,40
380
0,33
0,37
0,29
70
0,49
0,43
0,43
230
0,44
0,42
0,40
390
0,33
0,37
0,29
80
0,48
0,44
0,43
240
0,44
0,42
0,39
400
0,32
0,36
0,28
90
0,47
0,44
0,43
250
0,43
0,42
0,38
410
0,31
0,35
0,27
100
0,46
0,44
0,43
260
0,43
0,42
0,38
420
0,31
0,35
0,26
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110
0,46
0,44
0,43
270
0,42
0,42
0,37
430
0,30
0,34
0,26
120
0,45
0,43
0,43
280
0,42
0,41
0,37
440
0,30
0,33
0,25
130
0,45
0,43
0,43
290
0,41
0,41
0,36
450
0,29
0,31
0,24
140
0,44
0,43
0,43
300
0,41
0,41
0,35
460
0,28
0,30
0,24
150
0,44
0,43
0,42
310
0,39
0,40
0,34
470
0,28
0,30
0,23
Fonte: Autoria própria
A tabela 1 mostra que o valor de corrente 0,42 A é o ponto triplo, o que corresponde ao
momento onde a resistência total dos sistemas é igual. Após esse procedimento, a análise
desses dados na figura 4 mostra o comportamento de cada um dos experimentos.
( Figura 5) Comportamento da corrente em função do tempo, após o ponto triplo, em três diferentes
concentrações
Fonte: Autoria própria
A figura 5 possibilita visualizar como ocorre a variação da corrente de cada uma das
concentrações estudadas, sendo possível afirmar que a concentração de 30g/l de NaCl
apresenta uma redução da corrente em um menor espaço de tempo. A partir do ponto triplo,
quanto maior a concentração inicial do processo mais rápido o aumento de resistência e,
consequentemente, maior o fluxo de separação iônica.
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6. Conclusão
A sustentabilidade, economia de recursos naturais e o reaproveitamento de água, que estava
em um estado impróprio para o consumo, passa a ser fonte de sobrevivência para muitas
comunidades localizadas em regiões de baixa pluviosidade e/ou inóspitas, tanto em regiões
áridas quanto as localizadas em pontos próximos aos círculos polares. O processo de
eletrodiálise tem alcançado resultados muito proveitosos nas diversas áreas de atuação,
principalmente na dessalinização de água salobra. Este estudo permitiu analisar a velocidade
da queda de corrente após o ponto triplo. Dentro das concentrações analisadas chegou-se a
conclusão que quanto maior a concentração, maior a velocidade de separação iônica, sendo
neste caso a concentração de 30 g/L. Com base nesses resultados é possível otimizar o
processo de eletrodiálise, reduzindo principalmente o consumo energético e o tempo de
dessalinização. Logo, a analise do comportamento do NaCl na aplicação da eletrodiálise em
outras indústria, como a indústria de bebidas pode trazer grandes benefícios para a população
com a redução deste sal prejudicial a saúde e menores custos para as empresas. Para isso
podem ser realizadas novas pesquisas utilizando alem da analise do comportamento da
corrente em função do tempo à analise de condutividade permitindo um melhor controle das
variáveis do processo.
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dopada para a aplicação em eletrodiálise, dissertação para a obtenção do título de mestre em
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