Membranas

Membranas são definidas como barreiras seletivas, semipermeáveis, que separam duas fases e restringem, total ou parcialmente, o transporte de espécies presentes na corrente de alimentação; sendo que o transporte ocorre quando uma força motriz é aplicada sobre os componentes na alimentação (Ravanchi et al., 2009).

As membranas podem ser classificadas em duas grandes categorias, com relação a sua morfologia: densas e porosas. As características da superfície da membrana, que está em contato com a solução a ser separada, irão influenciar na escolha do tipo de membrana. Tanto 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. As membranas anisotrópicas se caracterizam por uma região superior muito fina (= 1 µm), mais estreita (com poros ou não), chamada de pele; e suportadas em uma estrutura porosa. Porém, quando ambas as regiões são constituídas por um único material a membrana será do tipo anisotrópica integral (Habert et al., 2006).

Para que ocorra o transporte de uma espécie através de uma membrana é necessária a existência de uma força motriz agindo sobre a mesma. Os processos comerciais de separação com membrana utilizam como força motriz o gradiente de potencial químico e/ou o gradiente de potencial elétrico. O gradiente de potencial químico pode ser expresso em termos de gradiente de pressão, de concentração e de temperatura. Em função da morfologia da membrana e do tipo de força motriz emprega, o transporte das diferentes espécies através da membrana pode ocorrer tanto pelo mecanismo de convecção, como pelo mecanismo de difusão. A morfologia da membrana define, também, os princípios em que se baseiam a sua capacidade seletiva. Em processos que utilizam membranas porosas a seletividade está diretamente associada à relação entre o tamanho das espécies presentes e o tamanho dos poros

da membrana. Este é o caso de processos com microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e diálise. Para membranas porosas, em função do tipo de força motriz aplicada, o transporte das espécies através da membrana pode ser tanto convectivo como difusivo. No caso da ultrafiltração, nanofiltração e microfiltração, para os quais a força motriz é o gradiente de pressão através da membrana, o fluxo permeado é fundamentalmente convectivo. Já no caso da diálise, a força motriz é o gradiente de concentração das espécies através da membrana e o fluxo permeado é de natureza difusiva (Habert et al., 2006).

Processos que empregam membranas densas, compostas ou não, a seletividade depende da afinidade das diferentes espécies com o material da membrana (etapa de natureza termodinâmica) e da difusão das membranas através do filme polimérico (etapa de natureza cinética), como é o caso da osmose inversa, pervaporação e permeação de gases. O fluxo permeado é sempre de natureza difusiva, independente do tipo de força motriz aplicada, uma vez que a membrana não apresenta poros próximos à superfície que se encontra em contato com a solução a ser processada. A eletrodiálise, diferentemente dos processos citados anteriormente, utiliza como força motriz o gradiente de potencial elétrico. Assim, só pode ser utilizada nos casos em que pelo menos uma das espécies apresente carga elétrica (Habert et al., 2006).

As membranas sintéticas comerciais são produzidas a partir de duas classes distintas de material: materiais orgânicos, em sua maioria polímeros, e os inorgânicos, como metais e cerâmicos. Normalmente as membranas de natureza orgânica apresentam menor custo de produção do que as inorgânicas. No entanto, estas últimas apresentam uma maior vida útil e permitem limpezas mais eficientes (Habert et al., 2006).

As membranas para microfiltração são consideradas filtros absolutos com diâmetro de poro variável entre 0,1 µm e 3 mm. Confeccionados em materiais metálicos, poliméricos ou cerâmicos, esses elementos apresentam elevada eficiência de separação quando submetidos a diferenciais de pressão entre 0,3 e 1,7 bar. Indicado para remoção de matéria coloidal, o processo de microfiltração pode ainda eliminar metais dissolvidos de soluções diluídas, quando implementado em associação com agentes complexantes de elevado peso molecular (Rebouças et al.,1999).

As membranas de ultrafiltração apresentam diâmetro de poro inferior a 0,1 µm.

Portanto, a pressão necessária para a obtenção de um fluxo permeado aceitável no interior do

equipamento deve situar-se dentro de uma faixa de operação entre 0,7 e 6,9 bar. Em termos de aplicação, a ultrafiltração mostra-se adequada para remoção de coloides e de compostos orgânicos de alto peso molar (Rebouças et al.,1999).

Os sistemas de nanofiltração são próprios à remoção de sais bivalentes e compostos orgânicos com massas moleculares entre 250 e 1000 g.mol^-¹, operando com pressões superiores aquelas utilizadas pela ultrafiltração (Rebouças et al.,1999). São membranas que utilizam a pressão como força motriz e apresentam propriedades entre membranas de osmose inversa e ultrafiltração. Apresentam muitas vantagens como baixa pressão de operação em relação à osmose inversa, fluxo permeado elevado, alta retenção de sais e moléculas orgânicas em relação à ultrafiltração, custo de investimentos relativamente baixos e baixos custos de operação e manutenção (Hilal et al., 2004).

Membranas de osmose inversa foram desenvolvidas como alternativa aos processos de troca iônica e de evaporação para o tratamento de efluentes cuja concentração de matéria dissolvida varia entre 5 e 34 mil mg.L^-¹, operando com pressões que variam de 3,4 a 69 bar.

Em termos de rendimento, a osmose inversa pode proporcionar a recuperação de volumes de água superiores a 90% do total de efluente alimentado no sistema. Além disso, a taxa de rejeição de sais supera, para muitos íons, o patamar de 99%. O processo de osmose inversa apresenta baixo consumo de energia e fácil operação do sistema (Rebouças et al.,1999).

O fluxo permeado (Jp) é definido como o volume que permeia através da membrana por unidade de tempo (Qp) e unidade de área (A), conforme Equação 1.

Admitindo-se que a membrana seja inerte em relação ao solvente e que não se deforme pela ação da pressão, para processos que utilizam o gradiente de pressão como força motriz, o fluxo permeado de um solvente puro é diretamente proporcional a pressão transmembrana e pode ser definido pela equação 2.

O fluxo permeado representa a vazão (volumétrica, mássica ou molar) de permeado por unidade de área da membrana e é determinado pela força motriz aplicada e pela resistência apresentada pela membrana (ou por sua permeabilidade), que muitas vezes, são proporcionais. O volume que escoa através da membrana pode ser descrito pela Lei de Darcy,

sendo o fluxo através da membrana (J) diretamente proporcional à pressão aplicada (Δp), segundo Equação 2 (Silva, 2009):

(2)

onde:

Δp é a pressão transmembrana;

Lp é a permeabilidade hidráulica da membrana ao solvente em questão.

A permeabilidade hidráulica pode ser obtida a partir do fluxo médio em diferentes pressões ou a partir da equação de Hagen-Poiseuille, segundo Equação 3:

onde:

ε é a porosidade da membrana;

τ é o fator de tortuosidade dos poros;

µ é a viscosidade dinâmica do fluido;

Δx é a espessura da membrana;

Rp é o raio do poro;

Lp é a permeabilidade hidráulica.

O fluxo através da membrana é fortemente influenciado pela temperatura da solução de alimentação, uma vez que o fluxo permeado é função da viscosidade dinâmica da solução que, por sua vez, é função da temperatura. A velocidade de escoamento também influencia no fluxo permeado, pois o aumento da velocidade provoca um aumento da turbulência do escoamento, ocorrendo a diminuição da camada polarizada (Diel, 2010).