Classificação das membranas

De um modo geral, as membranas utilizadas podem ser classificadas de acordo com a sua natureza e estrutura ou morfologia, mecanismo de separação e aplicação, como ilustrado na

Figura 1.21.

Figura 1.21. Classificação das membranas, adaptado de (115,119).

Relativamente ao tipo de material que as constituem, podem ser orgânicas ou inorgânicas. As membranas orgânicas são normalmente composto por polímeros, tais como: acetato de celulose, poliamida, polissulfona e polipropileno. As inorgânicas, são comercializadas desde 1980, devido às suas vantagens de elevada força mecânica e estabilidade térmica e química, mas por outro lado apresentam uma elevada fragilidade podendo ser facilmente danificadas. As membranas utilizadas neste trabalho experimental foram membranas orgânicas de acetato de celulose.

Me

m

branas

Natureza

Biológicas Vivas ou não vivas

Sintéticas Inorgânicas ou Orgânicas

Estrutura e Morfologia

Simétricas Porosas ou não porosas e com _{espessura entre 100 e 200 µm}

Assimétricas

Constituídas por uma camada homegénea com espessura de 0,1

a 0,5 µm e suportada por uma camada porosa com espessura

entre 50 e 100 µm

Mecanismo de ação/ Força

motriz

Exclusão; Solução/Difusão, Solubilidade; Diferença de Pressão, de Potencial Eléctrico, e de Concentrações

Aplicação Separação gasosa; separação liquído-liquído; separação _{sólido-liquído}

Alimentação Concentrado

Permeado membrana

A morfologia da membrana refere-se à quantidade, tamanho e distribuição dos poros na estrutura da membrana (108,120,121). As membranas simétricas podem ser porosas (heterogéneas) ou não porosas (homogéneas). As membranas homogéneas são constituídas por filmes densos que permitem a separação de moléculas de dimensões semelhantes e que apresentam solubilidades muito diferentes na matriz da membrana, logo a força motriz é por solução/difusão e, portanto, a afinidade com a partícula de interesse é fundamental (21,120,121).

Enquanto, as membranas assimétricas apresentam uma estrutura diferente no topo e na base, sendo que a porosidade, o tamanho dos poros e a composição química podem ser diferentes ao longo da estrutura. Estas podem ser classificadas como membranas assimétricas integrais ou compostas. A camada superior, designada por “pele” ou camada seletiva, é, por regra geral, muito fina, com espessuras entre os 0.1-1 µm. A camada de suporte onde está assente a “pele” é caracterizada por uma elevada porosidade e a sua espessura pode variar entre os 100 e os 200 µm. Atualmente, estas membranas são utilizadas em métodos de separação, como a ultrafiltração (UF), a nanofiltração (NF) ou a osmose inversa (OI), devido às boas capacidades de permeação, aos elevados coeficientes de rejeição e à boa resistência mecânica (122). A nível industrial, as membranas sintéticas são embaladas em dispositivos chamados módulos de membrana, e estão geralmente disponíveis em quatro configurações básicas: em módulos planos, módulos tubulares, módulos de fibra ocas e módulos enrolados em espiral (21,120,121). Tal como referido anteriormente, o transporte de solutos através da membrana é conseguido por aplicação de uma força motriz – gradiente de pressão, concentração, potencial elétrico ou temperatura – através da membrana (119). Ao aplicar uma diferença de pressão num processo de filtração por membrana verifica-se que existe uma diferença de pressão entre a alimentação e o permeado, sendo denominada por pressão transmembranar (PTM) (114). A separação baseia-se principalmente no tamanho molecular, forma molecular, carga e hidrofobicidade dos solutos (21,123) .

A classificação dos processos de filtração por membranas que utilizam como força motriz o gradiente de pressão são a microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), nanofiltração (NF) e a osmose reversa (OI). Esta classificação permite identificar o intervalo do tamanho dos poros das membranas, como descrito na Tabela 1.1 (21,124).

Para o presente trabalho, utilizaram-se cinco membranas assimétricas de acetato de celulose com diferentes porosidades, uma vez que permitem a remoção de sólidos suspensos e fracionamento de compostos bioativos com diferentes massas moleculares. De acordo com

Bernardo et al (125) foi possível a preparação das membranas de UF que conseguiam separar

compostos dissolvidos com massas moleculares compreendidas entre 3800 Da e 45000 Da (125). As membranas de UF foram preparadas através de método da Inversão de Fases.

Tabela 1.1. Características mais relevantes dos processos na tecnologia por membranas cuja força motriz é o gradiente de pressão, adaptado de (115,117).

Processo Força Motriz _(ΔP) Tipo de Membrana Método de Separação Aplicações Microfiltração (MF) 0,1 – 1 atm Microporosa

(0.1–10 µm) Filtração Esterilização; Clarificação;

Ultrafiltração (UF) 0,5 – 5 atm

Assimétrica Microporosa (0.05–0.5 µm) Filtração Separação de macromoléculas em solução; Recuperação de óleos/pigmentos; Nanofiltração (NF) 10 – 40 atm Assimétricas Filme denso (0.001–0.01 µm) Filtração Solução/ Difusão

Separação parcial de sais e solutos orgânicos com

menos de 1 kDa; Purificações de resinas; Osmose inversa (OI) 20 – 100 atm Assimétricas Filme denso Solução/ Difusão Separação de sais e micro-solutos; Dessalinização de águas;

1.5.1.1. Método de Inversão de Fases

Neste método, o tipo de estrutura obtido para as membranas está dependente do processo de fabrico utilizado, podendo recorrer-se a processos tais como: sinterização, estiramento, irradiação-corrosão e inversão de fases (119,124,126).

O método atualmente mais utilizado para a preparação de membranas assimétricas, quer a nível industrial, quer laboratorial, é o método de inversão de fases e do qual constam as seguintes etapas (119,126):

1) Preparação da solução polimérica;

2) Espalhamento da solução polimérica num suporte apropriado (placa de vidro) com vista à obtenção de um filme de espessura pré-definida;

3) Evaporação parcial do solvente durante um tempo definido;

4) Coagulação do filme polimérico num banho de gelificação (água entre 0-3ºC) e obtenção da membrana (117,126).

No método de inversão de fases, a solução polimérica (de partida) consiste num polímero e num sistema de solventes que é formado, por um solvente forte e um solvente fraco, também denominado não-solvente ou aditivo, sendo este último responsável pela formação dos poros. A porosidade varia diretamente com o aumento de concentração do não-solvente (119,126).

1.5.1.2. Modo de Operação

O modo de operação da tecnologia de membranas pode ser efetuada através de diversas formas como: modo de recirculação total, modo de concentração ou por diafiltração (118).

Figura 1.22. Esquema do a) modo de recirculação total e b) em modo de concentração, retido de (118).

O modo de recirculação total (Figura 1.22, a)) é realizado quando tanto a corrente de permeado como a de concentrado, são recirculadas para o tanque de alimentação. Enquanto no modo de concentração (Figura 1.22, b)) apenas a corrente de concentrado é recirculada para o tanque de alimentação assim, a corrente do permeado é recolhida, sendo esta composta pelos solutos de dimensões que conseguiram atravessar a membrana (118).

Figura 1.23. Esquema do modo de diafiltração, retirado de (118).

Por outro lado, o modo de diafiltração (Figura 1.23) é parecido ao modo de concentração, com a particularidade da adição à alimentação de água destilada em volume igual ao recolhido na corrente de permeado. Este modo de operação permite a remoção da corrente de permeado de todos os compostos com a capacidade de atravessar a membrana, assim na alimentação ficam apenas os compostos com maiores dimensões (118).

Neste trabalho experimental optou-se pelo modo de recirculação total, para o seu desenvolvimento, pois pretendia-se efetuar o estudo da identificação e quantificação dos CBs presentes no permeado com a variação do limite de exclusão molecular (MWCO) das membranas preparadas.