Osmose reversa é a passagem de um solvente (água), através de uma membrana semipermeável, de uma
solução diluída para uma mais concentrada

por João Carlos Mucciacito

Para sistemas aquosos, a água pura tem potencial químico padrão representado por µ11°, neste caso a fração molar da água é 1. No caso de soluções aquosas, o potencial químico representado por µ11° e a fração molar da água menor que 1. Em termos físicos, a maior forma de energia da água é quando ela se encontra em estado puro, a adição de qualquer substância ou impureza aumenta a entropia do sistema e, pela lei de Gibbs, isto irá resultar na redução da energia livre. O potencial químico da água em uma solução é menor que no estado puro, isto justifica a passagem da água pura através da membrana semipermeável, da solução diluída para a concentrada.
No processo de osmose reversa aplica-se uma pressão hidráulica, superior à pressão osmótica de equilíbrio, para promover a purificação da água. As membranas de osmose apresentam poros com diâmetro menor que 0,001 µm. Geralmente, a pressão utilizada varia de 3,4 a valores próximos de 80 bar. É possível separar contaminantes com baixo peso molecular, iônicos ou não. As aplicações são feitas em dessalinização de água salina e salobra, produção de água ultra-pura, concentração de soluções específicas para recuperar elementos de interesse, e tratamento de efluentes.

A concentração de sólidos na corrente de alimentação tem grande influência sobre a capacidade dos sistemas. Com o acúmulo de sólidos na membrana ocorre redução do fluxo de permeado, por outro lado, resulta em uma maior eficiência de retenção. A redução de fluxo ocorre devido ao aumento da resistência à passagem de água. O aumento da resistência varia com a composição e espessura da camada acumulada. O acúmulo de sólidos na superfície e poros da membrana resulta na diminuição da porosidade, na redução do tamanho dos poros e ao aumento da espessura da barreira de retenção (torta + membrana).

O material das membranas exerce grande influência sobre a capacidade de separação. A natureza química da membrana afeta as interações com o soluto. Membranas hidrofóbicas apresentam maior tendência a depósitos, diminuindo a capacidade de produção. Nas membranas de Microfiltração (MF), Ultrafiltração (UF), Nanofiltração (NF) e Osmose Reversa (OR), a presença de cargas elétricas influencia a capacidade de separação. A maioria das membranas apresenta carga elétrica líquida negativa e melhor desempenho para separação de contaminantes com a mesma carga. Contaminantes com cargas positivas resultam na redução do fluxo através da membrana, esta redução resulta do fenômeno de adesão. A rugosidade é outro fator que exerce influência no desempenho das membranas.

Os parâmetros que podem afetar o desempenho das membranas são: Taxa de recuperação de água, pressão hidráulica ou densidade de corrente, tempe-ratura e velocidade de escoamento.

É definida pela relação entre as vazões de permeado e da alimentação. À primeira vista, pode ser bastante indicado trabalhar com altas taxas de recuperação, como a redução da área de membranas e conseqüentemente do custo do sistema.
Na verdade, quanto maior a taxa de recuperação, maior é o potencial para redução do fluxo de permeado e degradação da qualidade do permeado. Isto é resultado do agravamento do efeito de polarização de concentrações e aumento na pas-sagem de contaminantes.

A pressão de operação afeta diretamente a taxa de recuperação de água, contudo, o efeito do aumento de pressão sobre o fluxo de água é variável. Para sistemas de OR a relação entre pressão e fluxo é praticamente linear.

Na NF ocorre praticamente o mesmo fenômeno, porém, a relação é menos linear; os sistemas de UF e MF apresentam um comportamento distinto, pa-ra uma determinada faixa de pressão há um aumento da produção, acima de um valor específico o aumento da pressão provoca a redução do fluxo. A capacidade de sistemas de UF e MF depende mais das características da alimentação do que da própria membrana. À medida que a pressão de operação aumenta, a camada de polarização atinge uma concentração limite e o fluxo de permeado se torna independente da pressão, nestes casos, o aumento da pressão pode ter um efeito contrário ao desejado. Do ponto de vista prático, o processo de microfiltração é o mais difícil para definir a pressão de operação.


Na eletrodiálise a quantidade de íons transportados é diretamente proporcional à corrente aplicada. Assim sendo, quanto maior a quantidade de íons a serem transportados, maior deverá ser a densidade de corrente. Nos processos de MF, UF, NF e OR a temperatura tem efeito direto sobre o fluxo de permeado, isto acontece porque o fluxo depende da viscosidade do fluido, a qual varia com a temperatura. Dados disponíveis mostram que ocorre uma variação de 3,3% no fluxo através das membranas por °C de variação de temperatura, esta condição só é válida para poucos produtos. Fenômenos químicos e bacteriológicos acabam limitando o fluxo através das membranas. Para sistemas de NF e OR o aumento de temperatura também resulta no aumento da passagem de sais.

Do ponto de vista químico, a temperatura influencia na solubilidade dos contaminantes presentes, para algumas substâncias há uma redução na solubilidade, podendo ocorrer a precipitação de sais ou proteínas.
O aumento do fluxo com a temperatura pode ser estimado pelas seguintes relações:
- Abaixo de 25°C:
Fator = (1 + CT/100)(T-To)
- Acima de 25°C:
Fator = (1 + CT/100).(T - To)
- CT = coeficiente de temperatura C%/oC).

Escoamento turbulento dá origem a altas taxas de cisalhamento na superfície da membrana, isto tende a remover o material depositado, reduzindo a resistência ao fluxo. Cabe ressaltar que a pressão hidráulica afeta este fenômeno.
Sistemas que operam com pressão elevada:
- Aumento da velocidade de escoamento favorece a estratificação de partículas;
- As partículas menores tendem a ficar próximas à superfície da membrana;
- Isto pode ocasionar a obstrução dos poros, com conseqüente redução no fluxo.

Embora as condições de fabricação das membranas sejam bem definidas, podem ocorrer variações na qualidade, membranas de diferentes lotes ou do mesmo podem apresentar variação nas caracterís-ticas, acontece também com o diâmetro e a distribuição dos poros. Para cada lote de membranas é necessário fazer a sua caracterização. Do ponto de vista prático a melhor opção é caracterizar os módulos, isto resulta em dados mais reprodutíveis de lote para lote.

A configuração das membranas tem influência direta sobre as características de escoamento. Existe uma relação direta entre as condições de escoamento e a capacidade de separação, desta forma, o tipo de módulo utilizado irá influenciar no desempenho do processo.

As interações entre soluto-membrana e soluto-soluto podem resultar na:
- Formação de depósitos;
- Adsorção física do soluto sobre a membrana;
- Precipitação química.

Estes processos podem afetar de forma negativa a capacidade de separação das membranas.

A tendência de uma água ou efluente causar pro-blemas de depósitos é determinada empiricamente, um teste utilizado para membranas de MF, UF, NF e OR é o de determinação do Índice de Densidade de Entupimento (SDI). Operações de limpeza e sanitização são necessárias, pois os processos de formação de depósitos e biofilme são inevitáveis.

A necessidade e freqüência de realização são baseadas nos parâmetros operacionais do sistema:
- Redução do fluxo de permeado;
- Aumento da perda de carga;
- Deterioração da qualidade do produto;
- Aumento na contagem de microrganismos.

As características da corrente de alimentação e estratégias de pré-tratamento têm grande influência. Operações de limpeza feitas com muita freqüencia reduzem a vida útil da membrana, isto reforça a necessidade de uma maior ênfase no pré-tratamento e condições operacionais do sistema.

As operações de limpeza têm três objetivos: a limpeza física das membranas e dos demais componentes (ausência de im-purezas visíveis), limpeza quí-mica (remoção de depósitos e incrustações), limpeza biológica (eliminação de microrganismos viáveis).
É importante ressaltar que a operação de sanitização deve ser precedida de uma limpeza química, isto tem por finalidade garantir a máxima eficiência do agente de sanitização. É comum considerar que a membrana está limpa quando o fluxo original é restabelecido. Esta condição nem sempre é possível, pois ocorre uma redução irreversível no fluxo, até que se atinja um valor estável.

Processos que utilizam pressão hidráulica para promover a separação:
. Microfiltração;
. Ultrafiltração;
. Nanofiltração;
. Osmose reversa.
Diferença de atividade através da membrana:
. Permeação de gases, utilizado para a separação de mistura de gases;
. Difusão de gases;
. Pervaporação;
. Extração ou stripping;
. Destilação.
. Diferença de potencial elétrico ou atividade, na ausência de qual-quer diferença de pressão através da membrana:
. Diálise + separação de solutos de baixo peso molecular de soluções com outros solutos;
. Eletrodiálise.

Baseada na diferença de tamanho entre os contaminantes e os poros das membranas:
. Efeito de peneiramento, estão nesta categoria a MF, UF e diálise.
Baseada na solubilidade e difusividade dos materiais nas mem-branas:
. Permeação de gases, pervaporação e osmose reversa.
. Baseados nas cargas elétricas das espécies a serem separadas (efeito eletroquímico), como o que ocorre na eletrodiálise;

A classificação das membranas, com base no meca-nismo de separação, conduzem a três classes princi-pais de membranas: Porosas; Não Porosas ou Densas; Eletricamente carregadas ou membranas de troca iônica.

É possível verificar a presença de poros, os quais com base na definição adotada pela International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), são:
. Macroporos + diâmetro> 0,05 µm,
. Mesoporos + diâmetro entre 0,002 e 0,05 µm;
. Microporos + diâmetro menor que 0,002 µm;
. Enquadram-se nesta classificação os processos de MF, UF, NF e diálise;
. Na prática, a NF está em uma classe intermediária entre membranas porosas e densas.

São um tipo específico de membranas não porosas, apresentam-se na forma de um gel altamente expandido, que contém cargas elétricas fixas. Membranas com cargas fixas positivas são denominadas de aniônicas e aquelas com cargas negativas de catiônicas.

É o mais antigo entre os processos de separação por membranas que utilizam pressão hidráulica. As membranas utilizadas são porosas, com diâmetro de poro variando de 0,1 até 3 µm. Existem empresas que comercializam membranas de microfiltração com diâmetro de poro de 0,04 µm. Os sistemas de microfiltração operam com pressões variando de 0,3 a 1,7 bar.
As principais aplicações incluem:
. Clarificação de bebidas;
. Tratamento de água;
. Tratamento de efluentes industriais e domésticos;
. Tratamento de emulsões de óleo e água;
. Processos de concentração e separação na indústria de alimentos.

Situa-se entre a microfiltração e a nanofiltração. Os diâmetros dos poros das mem-branas variam entre 0,001 µm até 0,05 µm, a pressão de operação dos sistemas pode variar de 0,7 a 6,9 bar. É possível obter a separação de colóides e macromoléculas com peso molecular próximo de 1000 g/mol (MWCO).
A rejeição pela membrana é determinada pelo tamanho e forma dos contaminantes em relação ao diâmetro dos poros. O transporte do solvente através da membrana é diretamente proporcional à pressão aplicada. Pode ser utilizado em uma grande variedade de aplicações, incluindo:
. Indústria de laticínios (tratamento do soro do leite);
. Indústria de alimentos (separação de amido e proteínas);
. Indústria mecânica e metalúrgica (tratamento de emulsões de óleo, água e efluentes);
. Tratamento de água.

É um processo de transição entre a ultrafiltração e 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. O mecanismo de separação não é apenas o de filtração, estando envolvidos 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 nas seguintes aplicações:
. Operações de abrandamento;
. Tratamento de água;
. Operações industriais para concentração de sucos de frutas, açúcares e leite.