O Processo de Remoção de Sulfato

Enquanto os problemas em Brae supracitados ocorriam, a FilmTec Corporation, subsidiária da Dow Chemical Company, trabalhava para desenvolver uma membrana de nanofiltração. Esta seria baseada nas suas membranas de osmose reversa, já existentes. Estas membranas de osmose reversa removiam todos os íons e eram usadas para dessalinização de água. No entanto, as membranas de nanofiltração foram desenvolvidas para remover, seletivamente, apenas íons e moléculas de alto peso molecular. Estas se mostraram fundamentais no desenvolvimento dos reservatórios de Brae, pois, enquanto bloqueavam os sulfatos, permitiam a passagem de cloretos de sódio, essenciais para manter a salinidade da água em um intervalo desejado.

Assim sendo, a FilmTec criou a FILMTEC NF40, membrana de nanofiltração desenvolvida especialmente para remoção de íons de sulfato do reservatório de Brae. Com esta, a concentração de sulfato na água do mar daquela região caiu dos originais 2700 mg/l para valores entre 100 mg/l e 150 mg/l. Adicionalmente, a membrana de nanofiltração era capaz de operar com taxas de recuperação quase duas vezes maiores que membranas de osmose reversa. Isto era possível pois aquela removia apenas os íons de sulfato, permitindo a passagem dos cloretos de sódio através da mesma, diminuindo portanto a concentração de sal na superfície da membrana. Além disso, ao remover apenas o íon sulfato (e o cátion correspondente, mantendo a neutralidade iônica) a pressão necessária para operar o sistema torna-se bem menor, devido à menor pressão osmótica ao longo da membrana. Com o advento das segunda, terceira e quarta gerações de membranas, a pressão de operação caiu de 400 psi para cerca de 250 psi, levando evidentemente a menores custos operacionais. Com estes avanços, o conteúdo de sulfato na água filtrada também caiu, saindo do intervalo de 100 mg/l a 150 mg/l obtido com a primeira geração de membranas para cerca de 50 mg/l.

A figura 4.2, a seguir, explana simplificadamente o processo de nanofiltração, ilustrando a remoção de sulfato.

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Figura 4.2. Processo de Remoção de Sulfatos – Nanofiltração. Fonte: DAVIS & MCEELHINEY (2002)

Após tratamento para remoção de bactérias, a água do mar é pressurizada contra a membrana por uma bomba de alimentação e sua válvula associada. A membrana, portanto, repele o sulfato enquanto permite a passagem dos íons do cloreto de sódio. O fluxo da água alimentada através da membrana fornece um mecanismo de auto-limpeza enquanto o sulfato, bicarbonato e outros íons grandes são removidos pela ação de varredura criada pela corrente rejeitada pela membrana.

As principais características da membrana que influenciam quais íons são repelidos e quais passam pela mesma são o tamanho dos poros desta, propriedades químicas da superfície da mesma e a largura da camada da membrana. A membrana de nanofiltração tem um poro de tamanho de aproximadamente 10 Å4 e uma superfície extremamente carregada negativamente. Assim sendo, íons de cloreto, com um diâmetro de 1,8 Å e uma carga negativa, passam pela membrana. Alternativamente, íons de sulfato, com um diâmetro de 2,4 Å e duas cargas negativas, são repelidos eletronicamente pela membrana. Cátions pequenos, como sódio (0,98 Å) e magnésio (0,65 Å), passam livremente pela membrana, com o intuito de manter uma neutralidade eletrônica entre ambos os lados da mesma. Evidentemente, devido às variações nos tamanhos dos poros e nas cargas da membrana, nem todos os sulfatos são rejeitados e nem todos os cloretos passam pela membrana. No entanto, têm-se obtido eficiência de rejeição de íons sulfato acima de 99% e de passagem de íons cloreto de 95% com as membranas de nanofiltração recentemente desenvolvidas.

Essas membranas são desenhadas em forma de espiral para maximizar a área com o menor espaço, de acordo com a figura 4.3, a seguir.

4 _{Ångström – Unidade de medida de tamanho para átomos e moleculas. Um Å equivale a um} nanometro.

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Figura 4.3. Membranas de nanofiltração. Fonte: DAVIS & MCELHINEY (2002)

Seis destes módulos ilustrados na figura acima são inseridos em vasos, em série. Uma corrente de rejeito contém alta concentração de sulfatos e baixa concentração de cloretos. A outra corrente, portanto, contém bastante cloretos e uma baixa quantidade de sulfatos. Estes vasos são arranjados numa disposição de dois para um, com as correntes de rejeitos dos primeiros vasos indo para os vasos no segundo arranjo, como ilustrado na figura 4.4, melhorando a eficácia do processo. Adicionalmente, a corrente rejeitada pela membrana de ambos os vasos, ao cair para o vaso seguinte, tem vazão suficiente para fornecer um mecanismo de auto-limpeza nas membranas.

Figura 4.4. Arranjo dos vasos de membranas. Fonte: DAVIS & MCELHINEY (2002)

Com a automação do processo de fabricação das membranas, ocorreu um aumento da área superficial de 320 pés2 para 400 pés2, levando a uma maior eficiência utilizando o mesmo peso e espaço nas plataformas e FPSO’s, barateando a construção e facilitando a instalação de unidades de remoção de sulfato, que passaram a necessitar de menos vasos e tubulações.

70 Assim sendo, o controle de formação de incrustação se tornou gerenciável, mesmo em casos onde os inibidores tradicionais não seriam suficientes para tal. Consequentemente, as operações extremamente caras de workover realizadas devido a problemas de incrustação reduziram-se drasticamente, resultando, portanto, em grandes economias.

Assim sendo, as membranas de nanofiltração começaram a ser usadas comercialmente em reservatórios com altos níveis de bário, comumente encontrados no Mar do Norte, onde apenas inibidores não seriam capazes de controlar as incrustações formadas. Um exemplo brasileiro de campo com alta concentração de bário (e estrôncio) é o de Albacora Leste.

A utilização mais importante do processo de remoção de sulfatos é explicada a seguir, na remoção de sulfatos em águas profundas.