O ESTUDO DO BINÔMIO VÁCUO – TEMPERATURA EM ENSAIOS DE DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUAS SALOBRAS E SALINAS POR MEIO DE DESTILAÇÃO TÉRMICA Ariovaldo Nuvolari 1, Wladimir Firsoff 2, Ana Paula Pereira da Silveira3, Francisco Tadeu Degasperi 4 1 Prof. Dr. do Dep. de Hidráulica e Saneamento – DHS – FATEC-SP 2 Prof. Pleno do Dep. de Hidráulica e Saneamento DHS – FATEC-SP 3 Prof. Assistente e Aux. Docente Me. do Lab. Saneamento Ambiental e Química- DHS, FATEC-SP 4 Prof. Dr. do Dep. de Sistemas Eletrônicos FATEC-SP [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Resumo Devido à escassez de mananciais superficiais de qualidade para abastecimento público, principalmente em áreas litorâneas, a dessalinização de água vem sendo uma ferramenta cada vez mais utilizada para suprir a necessidade de água potável nessas regiões. Observando essa necessidade, verifica-se que cada vez mais são necessárias pesquisas que visem o aperfeiçoamento das técnicas de dessalinização, assim como a tornem financeiramente viável. Dentro deste contexto, em 2011 foi criado o GEP (Grupo de Estudos e Pesquisas) em Dessalinização de água. Desde então, o grupo estuda o binômio vácuo temperatura na dessalinização de água por destilação térmica. No presente estudo foram realizados ensaios em triplicata com as seguintes pressões: atmosférica, 600, 500, 400, 300, 200, 100 e 80 mmHg para verificar a eficiência da utilização de vácuo no processo de destilação. A partir dos dados coletados, elaborou-se uma curva tempo de destilação versus temperatura e também foi possível verificar a correlação entre os diversos parâmetros envolvidos no processo. Baseado nos resultados encontrados, concluiu-se que quanto menor a pressão aplicada no sistema, menor será o tempo de destilação, o que justifica a aplicação de vácuo no processo; verificou-se também a necessidade da realização de melhorias no arranjo experimental de modo a obter-se resultados mais concretos. 1. Introdução É consenso, até entre os leigos, que sem água, é impossível a manutenção da vida. A água doce, em quantidade e qualidade para prover os diversos usos humanos, em especial o abastecimento público, está se tornando cada vez mais escassa. Algumas regiões do planeta, afetadas pela escassez hídrica já obtém parte ou, em alguns casos, a totalidade da água de abastecimento público, através de processos de dessalinização de águas salobras e salinas. O crescimento populacional faz com que esse problema de escassez vá se disseminando por toda a Terra. Mesmo as regiões com razoável disponibilidade hídrica, mas com grandes contingentes populacionais, estão entrando no rol daquelas duramente afetadas pela escassez de água doce em quantidade e em qualidade, principalmente nos períodos de estiagem prolongada. O grupo acredita que várias cidades brasileiras litorâneas (e a maior parte das capitais brasileiras estão situadas no litoral), fatalmente, mais dia, menos dia terão que optar por fazer a dessalinização da água do mar para complementar os volumes necessários para os diversos usos. O ato de coletar o vapor oriundo de águas salgadas, resfriá-lo e usá-lo para saciar a sede é provavelmente tão antigo quanto a humanidade. É também um fenômeno natural que faz parte do ciclo hidrológico, uma vez que a água doce presente no planeta, em seu maior percentual, tem origem na evaporação da água salgada dos mares e oceanos, que depois cai sobre toda a terra sob a forma de precipitação atmosférica; chuva, neve, granizo, etc, e que é responsável pela reposição da água doce nos rios, lagos e aquíferos subterrâneos. O objetivo deste grupo de pesquisa é conhecer os processos atuais de dessalinização existentes, através da revisão de literatura e estudar a influência do vácuo no processo de destilação da água salina. No Boletim Técnico nº 33, o grupo de pesquisas “Dessalinização de Águas Salobras e Salinas” apresentou os resultados alcançados no ano de 2011, com um protótipo no qual foram feitas destilações de água salina com utilização de vácuo, visando à remoção de sais dessa água. Naquela ocasião, verificou-se a necessidade de promover modificações na metodologia e no protótipo utilizado no ano de 2011, conforme detalhado naquele e neste artigo. O grupo está agora apresentando os resultados auferidos no ano de 2012, com as modificações feitas. Apesar dos resultados terem possibilitado chegar a várias outras conclusões, a partir das correlações feitas entre os parâmetros medidos, verificou-se a necessidade de aperfeiçoar ainda mais o protótipo, com a utilização de termopares instalados em meio ao líquido que está sendo aquecido, aposentando o termômetro comum até aqui utilizado, para que se obtenha um maior controle dos tempos e das temperaturas de forma a melhor avaliar a influência do vácuo na destilação. Tais modificações estão em curso, neste ano de 2013, e serão apresentadas posteriormente. 2. em aproximadamente 250 mL de destilado). Foi utilizada uma nova bomba de vácuo com melhor capacidade de diminuição da pressão. Para aferir o manômetro da bomba de vácuo, foi introduzido um manômetro diferencial de mercúrio (Fig. 2). Foi também instalado um filtro para proteção da bomba de vácuo (Fig. 4). Materiais e métodos O protótipo utilizado na pesquisa está montado no Laboratório de Hidráulica do Departamento de Hidráulica e Saneamento da FATEC-SP e é apresentado nas figuras 1 e 2. Figura 1. Vista lateral do banco de ensaios. O arranjo experimental anterior sofreu pequenas alterações (ver Fig. 1 e 2). Agora é composto por um balão de 1000 mL, onde é colocado um volume inicial de 500 mL de amostra (água salgada marinha), que é aquecida até a ebulição através de uma manta de aquecimento (Fig. 3). Os condensadores utilizados são do tipo serpentina e o condensador de bolas. O uso do condensador de bolas é mais comum em colunas de destilação, mas neste caso, apresenta uma vantagem. As regiões de depleção de cada bola funcionam como uma pequena câmara onde pode ocorrer trocas entre o vapor e o líquido condensado, ocasionando re-destilações nestes pontos. O vapor que passa pelo sistema de resfriamento (condensador) é coletado num recipiente (Kitassato), no qual é aplicado o vácuo. Fixouse um tempo total de destilação. Com isso obteve-se um volume de destilado e um rejeito (concentrado), em cada ensaio realizado. Visando obter um volume de destilado na faixa de 250 mL, foi estabelecido um tempo de destilação de 30 minutos (foram realizados ensaios com tempo de destilação de 40, 35 e 30 minutos, sendo 30 minutos o tempo que resultou Figura 2. Vista frontal do banco de ensaios Figura 3. Manta de aquecimento, balão e termômetro Figura 4. Bomba de vácuo e filtro de proteção Adotado o tempo total de destilação de 30 minutos, foram feitas 3 replicações para as seguintes pressões efetivas: 700 mm Hg (correspondente à pressão atmosférica local), 600, 500, 400, 300, 200, 100 e 80 mm Hg. Foram feitas duas tentativas com pressões menores; uma com pressão de 50 mm de Hg, mantendo o aquecimento da manta e outra com pressão próxima à pressão de vapor da água à temperatura de trabalho. As duas tentativas foram abortadas, pelos seguintes motivos: Com pressão de 50 mm Hg ocorreu a passagem direta, da amostra bruta para o destilado. Além disso, notou-se a insuficiência do sistema de resfriamento, pela formação de vapor e aumento da temperatura no Kitassato. No ensaio realizado com pressão próxima à pressão de vapor da água à temperatura de trabalho, houve uma gradual diminuição da temperatura no concentrado e problemas de emulsificação do óleo na bomba de vácuo. Em cada ensaio realizado (excetuando-se os que foram abortados), procedeu-se o acompanhamento da destilação, anotando-se o tempo de destilação e a correspondente temperatura, para elaboração da curva: tempo de destilação versus temperatura. Foram anotados ainda outros parâmetros de controle tais como: as temperaturas iniciais e finais de cada ensaio e o tempo de início de ebulição, a determinação dos volumes finais de destilado e do concentrado e, feita a somatória dos dois volumes, calculou-se as eventuais diferenças em relação ao volume inicial da amostra. Na água bruta, bem como no destilado e no concentrado foram medidos ainda os seguintes parâmetros de controle: cor, turbidez, pH, condutividade e densidade; A partir dos gráficos e tabelas gerados do tratamento de dados experimentais foram realizadas diversas tentativas de correlação dos parâmetros estudados com o intuito de teorizar e concluir tendências, a partir dos resultados obtidos nos ensaios. Sistema de vácuo O processo de secagem em baixas pressões é uma das aplicações mais importantes da tecnologia do vácuo tanto na indústria como nas atividades científicas e tecnológicas. A remoção de vapores e líquidos é realizada de forma mais eficiente com a redução de pressão. As moléculas mais energéticas no estado líquido podem deixar a superfície líquido-gás e ter menos probabilidade de retornar ao estado líquido. O esquema do circuito do sistema de vácuo projetado e construído para a realização deste trabalho é apresentado na figura 5. São utilizados os símbolos padronizados em tecnologia do vácuo para a representação de circuitos de vácuo. A bomba de vácuo utilizada é a bomba mecânica de palhetas de simples estágio. Este tipo de bomba de vácuo não é a mais indicada para operar com atmosfera rica em vapores. Neste sentido, foi instalado um filtro com material absorvedor de água para proteger a bomba de vácuo. As válvulas utilizadas são apropriadas para operarem em ambientes com vapores de água. As conexões utilizadas no sistema de vácuo são do tipo KF- NW 10, com anéis de vedação em borracha Buna-N. Figura 5. Desenho esquemático do sistema de vácuo utilizado para a evaporação de água salina e salobra. Para um sistema de vácuo de porte grande, considerando a quantidade de vapor de água envolvido no processo de evaporação, tem com proposta de bomba de vácuo mais indicada a bomba de anel líquido. Uma vez adotado este tipo de bomba de vácuo, deve-se prever filtros que protejam o sistema de vácuo com possíveis contaminações que possam ir até o condensador. O projeto do sistema de vácuo foi construído em sua maior parte em vidro, inclusive a câmara de vácuo para a evaporação, o destilador e o condensador. Mesmo com a instalação de tubos de pequeno diâmetro, em torno de 7 milímetros, o processo de transporte de gases e vapores foi realizado de forma eficiente. O controle do bombeamento foi realizado controlando a abertura da válvula junto à bomba mecânica de palhetas. 3. Resultados Nas Tabelas 1 e 2 são apresentados os parâmetros de controle para pressões efetivas variando de 80 a 700 mm Hg e tempo total de ensaio fixado em 30 minutos. Os valores dessas tabelas são as médias obtidas de três ensaios. Com os valores apresentados nas citadas tabelas, foram feitas diversas tentativas de correlação de dados. Tais tentativas são apresentadas neste item. Na Tabela 3 são apresentados os principais parâmetros de controle medidos na água bruta (água do mar coletada no Guarujá), ao longo dos diversos ensaios realizados. Os valores médios de turbidez e condutividade diferem um pouco dos valores médios apresentados na Tabela 1, uma vez que, neste caso foram incluídos também os ensaios iniciais, feitos com tempos totais de destilação diferentes dos 30 minutos. De um total de 27 ensaios, foram obtidas as médias, desvios-padrões, além dos valores mínimos e máximos de condutividade, pH, cor e turbidez. Tais resultados servem para uma melhor caracterização da água salina utilizada nesta pesquisa. Como se pode observar: O valor médio de condutividade obtido para a água bruta foi de 50.287 S/cm, com desvio padrão de 784, valor mínimo de 47.800 e máximo de 51.450 S/cm; O valor médio de pH obtido para a água bruta foi de 6,93, com desvio padrão de 0,40, valor mínimo de 6,15 e máximo de 7,71; O valor médio de cor obtido para a água bruta foi de 10,4 uC, com desvio padrão de 8,2, valor mínimo de 0,3 e máximo de 23,0 uC; O valor médio de turbidez obtido para a água bruta foi de 1,05 UNT, com desvio padrão de 1,00, valor mínimo de 0,113 e máximo de 5,0 UNT. Na Figura 6 é apresentada a correlação entre a pressão efetiva aplicada e o tempo de início de ebulição (valor médio de 3 ensaios). Nesta figura observa-se que quanto menor a pressão aplicada, também menor é o tempo de ebulição, com um excelente índice de correlação (R2 = 0,98). Na Figura 7 é apresentada uma tentativa de correlacionar a pressão aplicada com a condutividade medida no destilado. Apesar do índice de correlação ser alto (R2=0,92), sabe-se que a curva resultante real não é exatamente igual a essa apresentada. Para um mesmo tempo de destilação, a diminuição da pressão aplicada deve resultar num maior volume de destilado, com maior condutividade, pois devido à diferença de pressão (pressão de vapor junto ao concentrado e a aplicação de vácuo junto ao destilado) o fluxo de partículas da solução mais concentrada se desloca (concentrado salino) para a menos concentrada (destilado). Na figura 8 é apresentada a correlação entre a pressão efetiva aplicada e a condutividade no concentrado (valor médio de 3 ensaios). Como se pode perceber, foi obtido um excelente índice de correlação (R2 = 0,98). A curva mostra que quanto menor a pressão efetiva aplicada, maior a concentração de sais resultante no concentrado e, portanto, maior a sua condutividade. Figura 6. Correlação entre a pressão aplicada e o tempo médio de início de ebulição Figura 7. Correlação entre a pressão aplicada e a condutividade média do destilado Figura 8. Correlação entre a pressão aplicada e a condutividade média no concentrado A condutividade no concentrado é um fator limitador nos projetos, uma vez que o destino final do concentrado é um dos maiores problemas a ser resolvido numa instalação de dessalinização. Dependendo da solução adotada, quanto maior a salinidade no concentrado, maior é o impacto causado na sua destinação final. Na pesquisa bibliográfica (USBR, 2003), descobriu-se que a maioria dos processos de destilação adota um percentual de recuperação próximo dos 30 %, ou seja, para cada 1.000 litros de água bruta processada obtêm-se apenas 300 litros de água produzida e, talvez um dos motivos seja exatamente esse, diminuir a salinidade, tanto do concentrado quanto do destilado obtido. Essa descoberta fez com que projetássemos para as futuras pesquisas, um tempo ainda menor de destilação, para que se obtenha um concentrado com menor condutividade. Tabela 1. Resumo: Parâmetros de controle: pressões de 0 a 700 mmHg e tempo total de 30 min. PRESSÕES EFETIVAS (mm Hg) 700 600 500 400 300 1. RESULTADOS GERAIS: 30 30 30 30 30 Tempo total de destilação (min.) 200 100 80 MÉDIA 30 30 30 NTS Tempo de início de ebulição (min.) 12,3 12,8 12,1 12,1 10,5 9,0 7,1 7,4 NTS Temperatura inicial (ºC) 20 17 21 20 22 22 21 22 NTS Temperatura final (ºC) 96 75 66 52 47 NTS 92 87 82 2. NA ÁGUA BRUTA 500 500 500 Volume da amostra (mL) 500 500 500 500 500 500 COR (uC) 16,7 20,7 14,7 13,7 12,4 1,6 1,9 1,5 10,4 TURBIDEZ (UNT) 1,8 1,4 2,3 1,1 0,9 0,3 0,8 0.8 1,2 pH 6,2 7,1 7,0 6,9 6,7 7,2 7,2 7,0 6,9 CONDUTIVIDADE (µS/cm) 50.550 49.400 50.617 50.983 50.387 50.747 50.373 50.177 DENSIDADE (g/cm3) 1,02 Volume final coletado (mL) 235 1,02 1,02 1,02 3. NO DESTILADO 222 246 236 COR (uC) 43,0 42,3 18,0 13,0 0,7 1,0 TURBIDEZ (UNT) 1,30 0,45 0,70 0,60 0,50 0,40 50.404 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 245 248 270 268 NTS 1,3 8,3 NTS 0,30 1,20 NTS pH 8,4 8,9 9,3 8,6 9,5 7,9 9,9 8,8 NTS CONDUTIVIDADE (µS/cm) 117 231 491 371 293 211 365 555 NTS 1,00 1,00 1,00 4. NO CONCENTRADO 260 268 259 262 1,00 1,00 1,00 1,01 NTS 253 245 222 233 NTS COR (uC) 46 71,0 79,7 75 36,7 11,7 8,5 15,3 NTS TURBIDEZ (UNT) 15,1 19,2 20,0 25,6 16,0 5,7 9,9 6,6 NTS pH 7,5 7,8 6,8 7,4 7,4 7,4 7,6 7,8 NTS 3 DENSIDADE (g/cm ) 1,00 Volume final coletado (mL) CONDUTIVIDADE (µS/cm) 81.633 76.800 84.833 85.300 85.633 87.167 95.167 89.700 DENSIDADE (g/cm3) 1,05 somatória: destilado + concentrado 495 1,05 1,05 1,05 5. VOLUMES (mL) 500 505 498 NTS 1,05 1,05 1,05 1,05 NTS 498 493 492 502 NTS Dif. = somatória – amostra inicial -5 0 5 -2 -2 -7 -8 NTS 2 OBS.: NTS = A média não tem sentido, nestes casos, pois são dados comparativos em função da pressão aplicada Tabela 2. Resumo: pressões, volumes finais de destilados e temperaturas iniciais. Pressões Volumes de destilado (ml) Temperaturas iniciais de ensaio (º c) mm Hg 1ª 2ª 3ª Média 1ª 2ª 3ª Média 700 260 215 230 235 20 21 20 20 600 225 210 230 222 17 17 17 17 500 240 249 248 246 21 21 21 21 400 225 248 235 236 20 20 20 20 300 245 245 245 245 22 22 22 22 200 265 250 230 248 23 22 22 22 100 260 280 270 270 21 21 21 21 80 265 295 245 268 21 22 24 22 Na figura 9 é apresentada uma tentativa de correlacionar a pressão efetiva aplicada com a cor final do destilado (média de 3 ensaios para cada pressão). Houve bom índice de correlação obtido (R2 = 0,92), porém sabe-se que há uma tendência exatamente oposta, ou seja, nesse quesito ainda há necessidade de uma melhor análise. Na figura 10 é apresentada uma tentativa de correlacionar a cor e a turbidez finais obtidas no concentrado (valores médios de 3 ensaios para cada pressão). Neste caso, o índice de correlação foi bom (R2 = 0,86). Isso pode ser observado, pois quanto mais se evapora a água dessa solução, mais concentrada ela fica. Se essa concentração aumentar muito, pode acabar havendo a suspensão de alguns sólidos nessa solução, o que confere tanto cor aparente quanto turbidez. Tabela 3. Principais parâmetros medidos na água bruta PRESSÕES ( mm Hg ) 700 600 500 400 300 200 100 80 ENSAIOS REALIZADOS 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio 4º ensaio 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio 4º ensaio 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio 4º ensaio 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio CONDUTIV. ( microSiemens/cm ) 49.900 50.400 51.000 50.250 47.800 49.200 50.100 48.900 50.500 51.200 49.800 50.850 51.100 50.400 51.450 50.130 50.900 50.130 51.200 50.900 50.140 49.900 50.139 51.000 49.900 50.150 50.400 pH 7,71 6,16 6,22 6,30 6,31 7,13 7,02 7,05 7,15 6,95 7,02 6,98 6,88 6,75 7,03 6,90 6,15 6,95 6,93 7,01 7,63 7,11 7,38 7,21 7,14 6,98 7,01 COR ( uC ) NFM 12,0 16,0 22,0 NFM 20,0 19,0 23,0 NFM 13,0 17,0 14,0 18,0 10,0 13,0 20,0 17,0 0,3 0,5 1,3 3,0 2,3 2,0 1,5 1,1 2,0 1,4 TURBIDEZ ( UNT ) 0,30 1,58 2,25 1,49 0,32 2,09 0,95 1,01 0,11 0,15 5,00 1,70 0,80 1,00 1,50 0,90 0,35 1,50 0,20 0,15 0,50 0,23 1,20 0,83 1,35 0,55 0,37 MÉDIA DESVIO PADRÃO VALOR MÍNIMO VALOR MÁXIMO 50.287 6,93 10,4 1,05 784 0,40 8,2 1,00 47.800 6,15 0,3 0,11 51.450 7,71 23,0 5,00 OBSERVAÇÕES NFM = não foi medido; uC = unidade de cor; UNT = unidade nefelométrica de turbidez Na figura 11 é apresentada uma tentativa de correlacionar a pressão efetiva aplicada com o valor do pH no destilado (média de 3 ensaios para cada pressão). A curva apresentada não apresentou bom índice de correlação. Houve uma grande variação no valor do pH do destilado, certamente por haver influência de outros fatores ainda não bem conhecidos. No entanto, acredita-se haver uma tendência de aumento do valor do pH com a diminuição da pressão efetiva aplicada. Figura 9. Correlação entre a pressão aplicada e a cor média no destilado Figura 10. Correlação entre a cor média e a turbidez média no concentrado Figura 11. Correlação entre a pressão aplicada e o pH médio do destilado 4. Conclusões Com base nos resultados e discussões apresentados no item 3, em especial as correlações entre parâmetros, pode-se chegar às seguintes conclusões: Há necessidade de se medir separadamente a temperatura do ar dentro do balão de fundo redondo (onde é medida atualmente), e também dentro da massa líquida, para que se possa estabelecer uma temperatura fixa de início dos ensaios medida no líquido. Dessa forma e só a partir da temperatura fixada, começar a medir o tempo de destilação. O intuito é evitar possíveis erros associados à variação da temperatura inicial (temperatura ambiente); Conforme era esperado, quanto menor a pressão aplicada no sistema, menor será o tempo de início de ebulição; Confirmou-se também que quanto menor a pressão aplicada no sistema, maior é o valor da condutividade do destilado, pois devido à diferença de pressão (pressão de vapor junto ao concentrado e a aplicação de vácuo junto ao destilado) o fluxo de partículas da solução mais concentrada se desloca (concentrado salino) para a menos concentrada (destilado); Conclui-se também que quanto menor a pressão aplicada, maior será a condutividade do concentrado, pois devido ao aumento da evaporação da água, a concentração da solução inicial (concentrado) fica maior, apesar do aumento do carreamento de sólidos para o destilado; Analisando somente a figura 8 não há correlação entre o valor do pH do destilado e a pressão aplicada no sistema. Porém sabe-se que quanto menor for a pressão aplicada no sistema maior será o arraste de sólidos do concentrado para o destilado, o que resulta na formação de compostos ácidos (provavelmente HCl) no destilado. Este fato não foi observado nestes ensaios, pois foi estabelecido um volume médio a ser destilado próximo de 500mL através do controle do tempo de destilação, estabelecido em 30 minutos. Algumas das tentativas de correlação não foram conclusivas, umas por conta da quantidade de variáveis envolvidas e outras, devido aos parâmetros não se correlacionarem realmente e não interagirem entre si. Já em alguns casos, é conhecida a correlação, porém neste trabalho, ela não ficou evidente, como por exemplo, o caso da pressão aplicada no sistema em relação à cor no destilado. Apesar de haver correlação na figura 9, a mesma, a nosso ver, está oposta ao esperado, espera-se que quanto menor for a pressão aplicada, maior seja a condutividade do destilado, e, por consequência, maior também seja o valor da sua cor. Finalmente, pode-se afirmar que os resultados desta etapa dos ensaios experimentais mostraram ao grupo a importância do estudo das correlações dos parâmetros estudados e também a necessidade de se fazer algumas modificações já citadas, no arranjo experimental. Agradecimentos Agradecemos ao Auxiliar Docente Edelson P. Venuto pelo auxílio com os experimentos no Lab. De Vácuo – LTV. Referências Bibliográficas USBR – United States Bureau of Reclamation. Report n. 072 - Desalting Handbook for Planners. 3rd ed. USDI (United States Department of the Interior), 2003. Disponível em < www.usbr.gov/pmts/water/media/pdfs/report07 2.pdf>. Acesso em 12/10/2010. NUVOLARI; FIRSOFF; SILVEIRA. Dessalinização de Águas Salobras e Salinas. Relatório interno do GEP – Grupo de Estudos e Pesquisas. Dep. de Hidráulica e Saneamento – FATEC-SP. São Paulo, 2012.