Tratamento de efluentes por eletrodiálise

2.3.1.7 Tratamento de efluentes por eletrodiálise

Na eletrodiálise as membranas íon eletivas são dispostas alternadamente em uma montagem tipo filtro-prensa, de maneira a formar canais entre as membranas por onde circula a solução a ser tratada Rowe et. al. (1995). No interior destes canais são colocados espaçadores, os quais têm a função de provocar um fluxo turbulento. Os eletrodos são posicionados nas extremidades da célula e estão em contato com uma solução de enxágüe. A esta montagem denomina-se stacke.

Quando um campo elétrico é aplicado nos eletrodos, o ânodo fica com carga positiva e o cátodo fica com carga negativa. O campo elétrico aplicado origina a migração dos íons positivos (cátions) para o cátodo e dos íons negativos (ânions) para o ânodo. Durante o processo de migração os ânions passam pela membrana aniônica, mas são barrados pela membrana catiônica. Comportamento semelhante acontece com os cátions. Este fenômeno origina a formação de um compartimento contendo uma solução mais concentrada e outro contendo uma solução mais diluída. A figura 2 apresenta um esquema geral de um sistema de eletrodiálise.

Figura 2 - Célula de eletrodiálise

+

Cátions Ânions

A A A

C C C

C

A Memb. Aniônica Memb. Catiônica Sol. Conc.

Concentrada

Alimentação Sol. Diluída

Fonte: RODRIGUES (2002).

Na teoria, um Faraday passando através de um par de membranas é capaz de transportar um equivalente grama de eletrólito de um compartimento diluído para um concentrado. Assim sendo, a inserção de n pares de membranas irá aumentar o rendimento do processo n vezes. Do ponto de vista elétrico, tal sistema assemelha-se a um conjunto de resistores em série. A resistência elétrica total resultante compreende as contribuições dos eletrodos, das membranas e das soluções que fluem entre elas.

A limitação quanto ao número máximo de pares de membranas possíveis de serem montados em um stack está relacionada com o aumento da resistência elétrica total entre os dois eletrodos. Idealmente a resistência elétrica das membranas deve ser extremamente baixa, de modo que a principal contribuição para a resistência total seja da solução diluída produzida entre as membranas (ROWE et. al., 1995).

A energia consumida é em função da quantidade de íons removidos no processo. Além disso, a técnica pode operar em processo contínuo, não necessitando de etapas de regeneração, como no caso da troca iônica segundo Rowe et. al. (1995). As membranas íon seletivas são a parte principal do sistema de eletrodiálise, pois elas que tem a propriedade de fazer a separação dos íons. Neste sentido, todo o processo de separação gira em torno das propriedades das membranas e é justamente o desenvolvimento destas membranas que impulsiona o desenvolvimento e aplicação desta poderosa técnica de tratamento de efluentes.

Membranas íon seletivas são polímeros que apresentam a característica de serem permeáveis a determinados íons dissolvidos em solução aquosas e impermeáveis a outros. Estas membranas são efetivamente resinas de troca iônica em forma laminar e apresentam a característica de discernir entre a permeação e a migração de uma substância, através da carga que esta substância apresenta (ROWE et. al., 1995).

Membranas íon-seletivas catiônicas são permeáveis a cátions tais como Cr³⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, etc. Membranas íon-seletivas aniônicas são permeáveis a ânions tais como SO42-, Cl^- etc. Estas membranas são tipicamente polímeros contendo ligações cruzadas e apresentam uma porosidade controlada, de modo a apresentarem permeabilidade aos íons, mas manterem uma impermeabilidade em relação à água (ROWE et. al., 1995).

Os poros ou canais formam no interior da membrana uma rede interconectada que garante a continuidade da condução iônica de um lado ao outro da membrana. No interior dos poros existem grupos funcionais positivos (tipicamente grupos amônio quaternários), ou negativos (tipicamente grupos sulfonato), os quais estão quimicamente ligados à matriz polimérica.

Estes grupos funcionais fazem com que as paredes internas dos poros apresentem cargas, de modo que é favorecida a migração de seus contra-íons através da membrana.

Se os grupos funcionais ligados à membrana forem negativos, será favorecida a migração de cátions através dos poros, e a membrana será catiônica.

Isto pode ser conseguido, por exemplo, através da sulfonação da matriz polimérica, com o que se obtém grupos (SO3H) ligados ao polímero. Em água este grupo se ioniza, produzindo um contra-íon móvel (H⁺) e uma carga fixa (^SO3).

Por outro lado, se os grupos funcionais forem positivos, será favorecida a migração de ânions e a membrana será aniônica. Neste tipo de membrana costuma-se empregar grupos tais como (^NR3OH) ligados à membrana. Além de permitir a passagem dos íons por migração, a membrana deve impedir a livre passagem da água. Isto é conseguido com uma estrutura mais densa e menos porosa. Nesse aspecto é importante que a membrana apresente um balanço adequado entre o controle da passagem de água, o que requer uma estrutura densa, e uma baixa resistência elétrica, o que é favorecido por uma estrutura de poros mais abertos

segundo Rowe et. al. (1995). O desempenho de uma membrana é definido em função de dois parâmetros básicos: permeabilidade e seletividade. A permeabilidade diz respeito à facilidade com que os íons são transportados nas respectivas membranas. Seletividade está relacionada com a capacidade de uma membrana em impedir o transporte de íons indesejados, ou seja, cátions através de uma membrana aniônica e ânions através de uma membrana catiônica. Idealmente deseja-se uma membrana com alta permeabilidade e seletividade, mas tentativas de melhorar um destes parâmetros em geral levam a prejuízos no outro, de modo que é necessário se obter um adequado balanço entre as propriedades desejadas. O transporte iônico através das membranas é um fenômeno complexo que depende fundamentalmente de dois componentes: o primeiro está associado aos processos interfaciais na fronteira membrana-solução, e o segundo diz respeito às propriedades de transporte em volume da membrana, como mobilidades e difusividades dos íons no interior da mesma (ROWE et. al., 1995). Além disso, estão envolvidos os fenômenos difusionais dos íons na solução. Dessa forma, a condução através da membrana é considerada como sendo derivada de um processo de percolação. O transporte de carga é devido ao fluxo de íons, o qual por sua vez é determinado pela probabilidade de formação de um caminho de percolação entre os clusters, de um lado ao outro da membrana (ROWE et. al., 1995).