por Tiago Dias

As Membranas são meios filtrantes, em geral produzidos a partir de materiais poliméricos, que apresentam poros de dimensões variadas. Estes poros são responsáveis por todas as propriedades que tornam as membranas úteis em suas diversas aplicações, tanto para separar partículas como para fracionar moléculas de diferentes massas molares. Como barreiras seletivas que atuam como uma espécie de filtro, as membranas são capazes de promover separações em sistemas onde os filtros comuns não são eficientes.
Segundo Ronaldo Nóbrega, da Pam Membranas, as mesmas não são só produzidas a partir de materiais poliméricos. "Em algumas aplicações são utilizadas membranas preparadas a partir de matérias inorgânicas", comenta.
"A separação de contaminantes da água, na maioria dos casos e em algumas aplicações específicas, servem também para a recuperação de substâncias", diz Eng. João Roberto Nunes Junior, diretor da Efluentes Ind. e Com. de Equipamentos Ltda - empresa autorizada à aplicação dos produtos da Koch Membrane Systems (USA) no mercado brasileiro de tratamento de efluentes industriais e biológicos (reciclagem).
"No segmento que trabalhamos (tratamento de água e efluentes), membrana é um meio filtrante. Trata-se de superfície semi-permeável utilizada para separação de sólidos ou sais dissolvidos na água", conta José Roberto Ramos, Gerente de relações internacionais da Perenne – Equipamentos e Sistemas de Água.
"Simplificando, a membrana é resultado da deposição química sobre um suporte (non woven)", esclarece Valdir Montagnoli, gerente de produtos da DBD Filtros, distribuidor das membranas Synder no Brasil.

A aplicação da membrana
As finalidades desta separação podem ser muito variadas, como exemplifica Celestino Silva, da Divisão Bioscience da Millipore: "As membranas separam os contaminantes insolúveis de soluções, processo chamado de "clarificação"; removem totalmente os microorganismos do ar ou de soluções, processo chamado de "esterilização"; além da separação, diálise ou concentração de macromoléculas".
As membranas são utilizadas para separar componentes de correntes líquidas e também de correntes gasosas no tratamento de águas industriais, efluentes, reuso, potabilização de água do mar (como mostra as figuras abaixo). Além disso, há diversas outras aplicações em outros segmentos, tais como: Biotecnologia e farmácia, indústria alimentícia e de bebidas, hemodiálise, purificação de ar, entre outros.
Ultimamente, ela vem sendo amplamente utilizada na indústria automobilística, pois praticamente todas plantas instaladas no Brasil possuem pintura cataforética, que exige uso de Ultrafiltração, assim como nos fornecedores de peças que também possuem este tipo de pintura.

Tipos existentes
Existem membranas de Microfiltração, Nanofiltração, Ultrafiltração e Osmose Reversa. Cada uma pode ser classificada conforme sua porosidade, que definirá a capacidade de separação dos sólidos a serem retidos conforme o seu tamanho, podendo ser até espiral ou tubular. "Cada uma delas pode ser produzida a partir de um polímero, como o PVDF (Difluoreto de Polivinilideno), o PTFE (Politetrafluoretileno), PES (Polietersulfona), entre outros", comenta Henrique Silva, Gerentes de Produtos da Millipore, ao lado de Celestino.
"As mais utilizadas são as de Ultrafiltração e as de Osmose Reversa. Especificamente, no tratamento de efluentes, a composição de ambas (UF + OR) é quase sempre necessária, e especialmente no que se refere às aplicações com OR (osmose reversa), que em 90% dos casos requerem uma unidade de Ultrafiltração ou pré-tratamento adequado para que possa operar convenientemente, de modo que a sua vida útil seja superior a 2 anos", esclarece João Roberto Nunes Junior.

- Osmose reversa
A membrana de Osmose Reversa é aquela que apresenta os poros menores, por onde atravessam somente as moléculas muito pequenas, como a água. Até os íons são retidos, por isso sua grande utilização em sistemas de purificação de água.

- Ultrafiltração
A membrana de Ultrafiltração é empregada nos trabalhos com macromoléculas, como proteínas e ácidos nucléicos. Serve para fazer a concentração, diálise e purificação. Seus poros são tão pequenos que nem são classificados por tamanho de poro, mas sim por uma estimativa de sua retenção molecular média. O maior uso desta membrana está na fabricação de insumos biotecnológicos de alta pureza, como o princípio ativo de um fármaco, por exemplo. A Ultrafiltração também é amplamente utilizada no processo de pintura por eletrodeposição (pintura cataforética), seja na indústria automobilística ou nos subfornecedores de peças.

- Microfiltração
Já a membrana de microfiltração é apresentada por seu tamanho de poro (0,22 micrometros, 0,45 micrometros, etc) e é empregada em um tipo específico de filtração, dentro de uma faixa granulométrica de sólidos suspensos na água a serem separados. "A Microfiltração também atua como uma proteção das membranas de Nanofiltração e de Osmose Inversa, utilizadas comumente para dessalinização e desmineralização de água", diz Ronaldo Nóbrega. Neste caso, a Microfiltração elimina todo material em suspensão da água bruta, possibilitando também aumento do desempenho e da vida útil das membranas de Nanofiltração e Osmose Inversa.

- Nanofiltração
A Nanofiltração, por sua vez, é um tipo de filtração tangencial, cuja membrana é mais fina do que a de ultrafiltração, mas não mais fina do que a de osmose reversa. O diâmetro dos poros da membrana é da ordem de 0,001 µm. A pressão de operação nos sistemas de NF varia de 5 a 35 bar. É possível separar moléculas com peso molecular de até 200 g/mol e íons bivalentes, como cálcio e magnésio, e também partículas e íons. O mecanismo de separação não é apenas o de filtração, estando envolvidos também os mecanismos de solubilidade e difusão. Neste processo, a pressão osmótica começa a ter influência sobre o fluxo de solvente através da membrana. Pode ser utilizado em operações de abrandamento, tratamento de água e operações industriais para concentração de sucos de frutas, açúcares e leite.

Sua importância
"Hoje é uma tecnologia consagrada mundialmente, há muitos benefícios", diz José Roberto Ramos, da Perenne. Com seu alto desempenho e sua tecnologia, a membrana é realmente vista como um grande negócio e uma eficiente solução em suas aplicações. Sem contar que ela também não é poluente, não gera efluentes, tem rendimento alto, é de fácil operação, necessita de um curto tempo de parada para a limpeza dos meios filtrantes e sua instalação é compacta.
O baixo custo operacional é devido a redução significativa na geração de lodo, pois, durante a filtração, não ocorre a adição de produtos químicos.
"A garantia de qualidade em membranas de Ultrafiltração é sempre excelente, uma vez que, na maioria dos casos, com o passar dos anos, perde-se um pouco a capacidade de filtração (vazão), mas não a qualidade do filtrado. Isto é uma garantia ambiental muito grande", conta João Roberto Nunes Junior.
A membrana traz características obrigatórias para quem necessita de um fluido estéril e não pode empregar aquecimento, como explica Henrique, da Millipore: "As membranas, em relação aos outros materiais filtrantes são mais confiáveis e apresentam um resultado melhor na clarificação de substâncias".
Muitas vezes, a membrana é a única ferramenta indicada para determinado processo. Na indústria farmacêutica e laboratorial, por exemplo, a membrana tem um papel muito importante, é ela que está envolvida diretamente
na fabricação de produtos estéreis, como injetáveis e oftálmicos, e na produção de água purificada. Fora desses dois segmentos, muitas das análises de controle de qualidade empregam membranas, principalmente na purificação das amostras que serão analisadas por métodos instrumentais. O reuso da água também depende da qualidade de uma membrana, como exemplifica Levy Polonio da Hydranautics: "Hoje em dia, ela é utilizada em larga escala na dessalinização de água do mar para fins potáveis e industriais". John Santos, da Separations Membranas, diz que a principal importância da membrana está em solucionar problemas em diversos setores, como por exemplo: "Fazendo águas residuais prontas para serem bebidas; separar óleos e graxas da água; limpeza de tintas usadas em pintura de automóveis para que sejam reutilizadas; separação de proteínas do soro de leite, aproveitando aquilo que era descartado antes; aproveitamento de suco secundário no mesmo nível do primário. Enfim, essas são algumas das grandes vantagens das membranas".
Dentro das tecnologias disponíveis para tratamento de água, as membranas são consideradas tecnologias limpas, por ser um processo que não requer as grandes quantidades de produtos químicos utilizadas no tratamento convencional, e, quando saturados podem ser limpos mecânica ou quimicamente.
"Atualmente, com o forte foco no que se refere à necessidade de reciclagem de efluentes líquidos, as membranas são muito úteis, pois representam a reciclagem com o melhor custo/benefício", comenta João Junior.

A realidade das membranas no Brasil
O mercado tem aumentado sua demanda, e vem surgindo cada vez mais novas aplicações para este material. Por outro lado, as empresas que comercializam membranas, ou produtos constituídos de membranas, importam o produto terminado ou importam a membrana em rolos para utilizá-la como matéria prima na fabricação de dispositivos filtrantes.
"Uma aplicação industrial que está iniciando oportunidades e deverá aumentar consideravelmente o consumo de membranas, no caso, membranas de nanofiltração, é a remoção de sulfatos de água do mar para uso da mesma como água de injeção para explorar poços de petróleo", conta Levy Polonio.
O Brasil possui empresas instaladas com capacidade de utilizar a tecnologia de membranas. "Já temos grande número de instalações que utilizam membranas como parte do tratamento de água", comenta José Roberto.
"A reciclagem de certos líquidos de processos com membranas tem mostrado um significativo aumento, como por exemplo, os desengraxantes químicos", diz João Junior. "No mercado de laticínios ela ainda é pouco utilizada, em função do investimento inicial relativamente alto - apesar dos ganhos gerados - mas há espaço para crescimento", relata Valdir Montagnoli.

A tecnologia na fabricação
A tecnologia utilizada na produção de uma membrana varia conforme seu tipo e aplicação. Por exemplo, as membranas utilizadas para tratamento de água são em geral formadas por filmes poliméricos sintetizados, podendo ser fabricadas em diversas formas construtivas, tais como: espirais, placas planas, tubulares, fibras ocas etc. Já uma membrana de Osmose Reversa, tipo espiral, geralmente é produzida de uma maneira composta de poliamida e polisulfona (casting). Para esta superfície formada, agrega-se um Vexar e um tecido coletor, para que se formem envelopes - os quais são devidamente colados e enrolados em um tubo central perfurado, formando um elemento cilíndrico, o qual é revestido por fibra de vidro.
A tecnologia "Casting" é um processo onde o polímero, que vai originar a membrana, é parcialmente solubilizado em uma mistura apropriada de solventes, formando uma massa disforme. "Esta é prensada e esticada através de um equipamento de rolos prensas e esteiras. A partir daí forma-se uma comprida folha uniforme, a qual sofre banhos químicos e aquecimentos controlados, os quais originam de maneira criteriosa os poros da membrana. Esta vai finalmente sendo armazenada em bobinas de geralmente 30cm de largura", explica Henrique, da Millipore.
"A membrana é feita de um modo geral como qualquer filtro de papel, só que se usam produtos muito mais resistentes e compatíveis. Podem ser de polietileno, plástico em geral, etc. A membrana em si tem diferentes tamanhos de porosidade para a filtração", diz John.
"Basicamente, de um modo bem genérico, as membranas de Ultrafiltração poliméricas são fabricadas em esteiras especiais que mergulham sob bandejas de água, sob condições de pressão, temperatura, injeção de ar, e velocidade variáveis em cada etapa da fabricação. Parece simples, mas é bem complicado a fabricação de uma membrana de Ultrafiltração", conta João Junior.

Vida útil
Uma membrana não tem exatamente uma vida útil, um prazo de validade, mas a sua duração é medida através de sua capacidade de filtração. Esta, por sua vez, varia de aplicação para aplicação, tudo vai depender da agressividade que as membranas terão de suportar em operação. Um fluido com grande turbidez, ou seja, que apresenta muito material particulado em suspensão, provocará o entupimento precoce de uma membrana e, consequentemente, redução de sua vida útil.
"Normalmente uma membrana de Microfiltração, Ultrafiltração, Nanofiltração e Osmose Reversa para o tratamento de água de poço, superficial ou água do mar, tem vida útil de 3 anos, em média", conta Levy. A matéria prima utilizada também influência na durabilidade. "Para membranas de Ultrafiltração, por exemplo, desde que corretamente aplicadas, podemos ter, em média, 4 a 7 anos para materiais poliméricos, 10 a 15 anos para membranas em aço inox, 2 a 7 anos para membranas cerâmicas, e 2 a 3 anos para membranas de Osmose Reversa", complementa João Junior.

Limpeza
"As limpezas das membranas são geralmente realizadas periodicamente com soluções ácidas e alcalinas, dependendo do tipo de membrana", explica Valdir. Estas soluções são recirculadas dentro delas durante um período específico de tempo, determinado pH e temperatura. "Assim, os materiais depositados nas superfícies das membranas são removidas fisicamente e quimicamente, deixando com as mesmas condições operacionais quando novas", conta Levy. Alguns dispositivos de membrana menores, como os de uso em laboratório, não necessitam de limpeza - são descartáveis e de uso único. Com relação a cartuchos maiores, de escala industrial, é prática comum a tentativa de "limpar" a membrana, para aumentar sua capacidade de filtração. "A idéia é solubilizar as partículas que foram retidas no processo de filtração prévio, desbloqueando os poros e permitindo a retomada do fluxo de líquido por ali novamente", comenta Henrique. Estes procedimentos devem ser feitos com muito critério para não comprometer a integridade da membrana.

O futuro desse segmento
As empresas que trabalham neste segmento acreditam que a tecnologia de membrana está muito próxima de atingir seu ápice de desempenho, mas há ainda muito desenvolvimento a ser feito na área. "Membranas que resistam a substâncias oxidantes, como o cloro livre ou residual, já estão sendo produzidas e, em um futuro próximo, serão utilizadas em larga escala mundialmente. Para o tratamento de efluentes, membranas mais resistentes e de maior vida útil também estão sendo desenvolvidas. Além das membranas para tratamento de águas com alto teor de matéria orgânica; membranas de água do mar, com baixa pressão operacional e alta rejeição de sais que estão surgindo; membranas do tipo LFC3-LD, que já são uma realidade e estão sendo utilizadas pelo mercado industrial, com tendência de alto consumo para os próximos anos", conta Levy.
O constante aumento de aplicação e de reconhecimento no mercado também é planejado para o futuro. "Desde que as regras de importação sejam viáveis e que sejam alcançadas reduções na carga de impostos", esclarece João Junior. "Acreditamos que o mercado de membranas tende a crescer ainda mais, e que produtos de maior tecnologia e valor agregado ganharão mais espaço, como a utilização de cápsulas de membrana no lugar dos tradicionais cartuchos, sistemas de filtração tangencial substituindo os sistemas de filtração convencionais", opina Henrique.

Brasil tem primeira membrana produzida Pela primeira vez, uma empresa nacional conseguiu iniciar a produção de membranas de Microfiltração. A PAM Membranas Seletivas, empresa do Rio de Janeiro, vem produzindo membranas do tipo fibra oca, utilizando uma micro extrusora, especificamente desenvolvida para este fim. A membrana é produzida continuamente e, depois de lavada e seca, é acondicionada e colada em módulos que podem ter de 2 a 25 m² de área de membranas para filtração. O projeto, de longa história, é liderado pelo ex-professor da Coppe/UFRJ, Ronaldo Nobrega, engenheiro químico e doutor em físico-química de polímero, e pelos professores Cláudio Habert e Cristiano P. Borges. "Foram 35 anos de pesquisa nacional em membranas de separação", conta Ronaldo. Estes professores integraram o Laboratório de Processos de Separação por Membranas da Coppe/UFRJ, que desenvolvem pesquisas nesta área desde a década de 70. A empresa PAM Membranas nasceu de um spin-off (desmembramento, processo secundário) deste Laboratório Universitário. "A membrana é produzida pela técnica de precipitação por imersão. Esta técnica consiste em instabilizar uma solução polimérica pela adição de um não solvente para o polímero em questão", conta Ronaldo. Segundo o empresário, o sistema separa em duas fases, uma rica em polímero e outra rica na mistura solvente/não solvente. No final do processo, a fase rica em polímero dá origem à estrutura da membrana, enquanto a fase rica em solvente dá origens aos seus poros. As membranas, assim produzidas, são colocadas em módulos e estes em sistemas de microfiltração.