As membranas existentes são de Microfiltração (MF), Ultrafiltração (UF), Nanofiltração (NF) e Osmose Reversa (OR). “Não existe uma mais eficiente que outra, mas, sim, a mais adequada para cada tipo de aplicação
As membranas existentes são de Microfiltração (MF), Ultrafiltração (UF), Nanofiltração (NF) e Osmose Reversa (OR). "Não existe uma mais eficiente que outra, mas, sim, a mais adequada para cada tipo de aplicação, o que queremos remover ou concentrar da corrente líquida. Por esta razão, dependendo da aplicação, seja necessária a combinação de dois ou três tipos de membranas para se chegar ao objetivo desejado de qualidade ou concentração" – explica Marcelo Bueno, gerente regional – membrane technology da Toray do Brasil.
As membranas filtrantes são cada vez mais utilizadas em estações de tratamento de efluentes devido ao seu desempenho muito melhor que métodos de tratamento convencionais e seu custo minimizado ao longo do tempo. "São uma barreira física e possuem um nível de retenção muito alto de sólidos e impurezas. Com a necessidade de reúso de água, as membranas assumem um papel essencial, pois geram água de boa qualidade a partir do efluente industrial ou doméstico" – aponta Daniel Paiva Pavan, gerente de vendas da Kubota.
Ganhos na performance
As membranas filtrantes são usadas na indústria de laticínios, sucos, vinhos, eletroforese, no tratamento de água e esgoto etc. Sua principal vantagem é proporcionar uma separação de qualidade consistente. "Em alguns casos, a capacidade de uma membrana para recuperar produtos torna um processo de produção ou fabricação economicamente viável, aumentando os rendimentos e eliminando o desperdício. Além disso, os sistemas de membrana reduzem os custos com espaço físico, trabalho e manutenção" – expõem Henia Yacubowicz, vice-presidente de tecnologia e engenharia de processo, e Taylour Johnson, gerente de produto para água e efluente, da Koch Membrane Systems.
Sempre presente
As membranas sempre estiveram presentes em processos industriais para a produção de polímeros, lácteos, separação de óleo etc. Mas foi nos anos 90 que sua aplicação para tratamento de água e efluentes disparou, buscando uma melhor qualidade da água tratada ou alta eficiência para descarte de efluentes. Até então, apenas a Osmose Reversa tinha papel de destaque para desmineralização de água. A partir daí, as membranas de MF e UF começaram a ser aplicadas à água potável e combinadas a tratamentos físico-químicos e biológicos, melhorando o desempenho em tratamentos de efluentes.
Fonte: Toray do Brasil.
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O setor industrial ainda é o maior usuário dessas tecnologias. Em especial, as indústrias de óleo e gás, açúcar e etanol, papel e celulose, mineração, alimentos e bebidas, siderurgia etc. Segundo Marcus Simionato, gerente comercial sênior da Suez Water Technologies & Solutions, o setor de prestação de serviços de saneamento básico, concessionárias e operadoras de serviços de água e esgoto nos municípios tem investido nos últimos anos em novas tecnologias de Ultrafiltração e Membrane Bio Reactor ou Reator Biológico com Membranas (MBR). "Essas membranas alcançam níveis de qualidade que as tecnologias mais convencionais não conseguem. Por exemplo, um sistema de membranas de Bioreator, MBR – lodos ativados + Ultrafiltração, podem atingir altos níveis de qualidade em processos de reúso de efluentes" – ressalta Simionato, conforme destacado abaixo.
Em todas as suas aplicações, as membranas oferecem alta qualidade de água tratada, com reduzido consumo de químicos e espaço compacto. Quando atreladas a outros processos de tratamento, melhoram a performance global. "Um ótimo exemplo é mesmo do MBR, onde há a combinação do tratamento biológico semelhante aos lodos ativados com membranas filtrantes de MF ou UF. Atualmente, esta é uma das principais tecnologias para reúso seguro de efluentes ou atendimento de normas cada vez mais restritivas para descarte, como, por exemplo, DBO <5mg/l" – afirma Bueno, da Toray.
Além de efluentes industriais, as membranas são usadas em tratamento de águas e de efluentes domésticos. "Hoje o MBR é uma das tecnologias mais utilizadas para tratar efluentes.
A integração do tratamento de efluentes convencional por lodos ativados e da filtração por membranas possibilita uma planta muito mais compacta" – diz Pavan, da Kubota.
Trabalha-se com concentrações de lodo mais elevadas tanto no reator MBR como no tanque de aeração, ou seja, é a mesma carga tratada em um volume ou área ocupada até três vezes menor. "Esta combinação permite ganhos na performance do tratamento, tanto na remoção de carga orgânica quanto na ausência total de coliformes no efluente tratado. A performance de uma planta de tratamento de efluentes com MBR tem níveis de descarte de DBO abaixo de 5 mg/L" – salienta Pavan.
"As membranas podem ser combinadas com resinas de troca iônica para a remoção de substâncias específicas ou as resinas como polimento de Osmose Reversa em água industrial" – diz Ricardo Pinheiro, gerente de unidade de negócios – Liquid Purification Technologies (LPT) da Lanxess.
Bueno, da Toray, cita o exemplo de que o nível de filtração da Osmose Reversa que remove até sólidos dissolvidos é muito superior ao da Ultrafiltração, que remove apenas sólidos suspensos. "Porém, ao alimentar um sistema de Osmose Reversa com alta concentração de sólidos suspensos, a membrana entope e danifica rapidamente. Neste caso, a combinação de Ultrafiltração como pré-tratamento da OR é perfeita" – ressalta.
Vantagens dos sistemas de membranas
• Footprint: ocupa 1/3 da área de sistemas convencionais.
• Confiabilidade: barreiras de membranas produzem de forma consistente água e efluentes tratados mesmo com variações bruscas na alimentação. Tecnologias convencionais dependem da habilidade do operador para manter a qualidade do produto final.
• Qualidade do produto final: muito superior quando comparado com tecnologias convencionais, exemplo:
Água de alimentação: turbidez de 50 NTU.
ETA convencional: turbidez entre 1 e 5 NTU.
Ultrafiltração: turbidez < 0,5 NTU.
Fonte: Suez.
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Opex é mais valorizadoEm face da escassez de água potável e das exigências para a produção de água desmineralizada, as tecnologias de membranas ganham espaço no mercado brasileiro. "Estimamos que o mercado mundial para membranas gera um faturamento anual de US$ 1,2 bilhão com um crescimento de 5% ao ano para os próximos cinco anos" – calcula Simionato, da Suez.
O mercado de tratamento de efluentes com membranas evolui no Brasil. "Há grande demanda destas novas tecnologias que permitem o reúso da água, minimizando a extração de águas de suas fontes naturais já intensamente aproveitadas. No entanto, o mercado precisa de mais incentivo do governo para a redução de impostos e encargos para estas tecnologias" – aponta Pavan, da Kubota.
A Kubota, segundo ele, aperfeiçoa continuamente seus equipamentos para que operem com taxas de filtração cada vez mais altas e quantidade de ar consumido cada vez menor, o que implica menores custos operacionais. "Hoje nenhum usuário visualiza apenas o custo de aquisição, Capex, mas é extremamente valorizado o custo de operação, Opex" – afirma Pavan.
Segundo Henia e Johnson, da Koch Membrane, há um esforço contínuo no mercado para desenvolver soluções de membranas com maior eficiência, maior rentabilidade e melhores propriedades de separação para aperfeiçoar o desempenho e reduzir o custo de investimento para a indústria e os municípios. "Áreas de inovação incluem a análise de materiais avançados de membrana, formulações e procedimentos de fabricação, inovação de como operar as membranas para melhorar o desempenho e reduzir os custos operacionais" – ressaltam.
"A busca é por desenvolvimento de membranas com outros materiais mais resistentes, menor custo e que promovam menor consumo energético" – conta Pinheiro, da Lanxess.
Para Bueno, da Toray, o que tem de novo está mais relacionado às aplicações e ao mercado do que às membranas. "Tem crescido a procura por membranas de Osmose Reversa para dessalinização de água do mar, além da Ultrafiltração para a geração de água potável e tratamento de efluentes em empresas municipais" – observa. No médio e longo prazo, segundo Bueno, as membranas filtrantes se mostram como solução de tratamento para os contaminantes emergentes presentes nas águas, como inseticidas, hormônios, fármacos etc. que não são removidos com os sistemas tradicionais de tratamento.
Escalas de separação e configurações
Para atender às exigências de desempenho de aplicações específicas, as membranas são desenvolvidas em variadas configurações: fibra oca, tubular, espiral e placa plana; e em diferentes classes de tamanho de poro e escala de separação: Microfiltração, Ultrafiltração, Nanofiltração e Osmose Reversa.
• As membranas de Osmose Reversa (OR) retêm quase todas as moléculas solúveis, deixando a água passar livre pela membrana. Utilizadas no tratamento de água para uso potável, milhões de metros quadrados de membranas são usados também para dessalinização de água do mar e salobra para remover sal e outros contaminantes e fornecer água potável. Uma quantidade menor, porém, significativa de membranas de OR é usada para fins industriais, fornecendo água com a qualidade requerida.
• As membranas de Nanofiltração (NF) têm poros maiores do que as de OR, permitindo que passem íons pequenos, e operem com menor pressão e consumo de energia. Elas são usadas para abrandar a água de alimentação para usos industriais e potáveis e na concentração de produtos, bem como aplicações únicas, como a recuperação ácida e cáustica.
• As membranas de Ultrafiltração (UF) e Microfiltração (MF) são utilizadas em aplicações de Separação em Processos para a concentração e fracionamento, clarificação e purificação do produto. No mercado de água e efluente, a UF e a MF removem sólidos e bactérias em suspensão, óleo emulsionado, metais precipitados e outros contaminantes. As membranas de UF também removem vírus, sendo a principal para tratamento de águas superficiais para consumo potável.
• A maioria das membranas NF e OR usa a configuração Espiral, cuja filtração é econômica e em espaço físico pequeno. Além delas, quase todas as membranas UF e MF usadas para separações em laticínios, concentração de gelatina e outras concentrações e purificação de produtos no mercado de alimentos a utilizam.
• A configuração de Fibra Oca também oferece filtração econômica em pequeno espaço. Devido à forma como são feitas, as membranas de fibra oca podem ser retrolavadas para a manutenção efetiva do fluxo e controle de incrustação. Com tamanho de poro maior, na faixa de separação UF e MF. o que cria uma subcategoria nas membranas de fibra oca é a direção do fluxo: com filtração de dentro para fora, a alimentação flui dentro da fibra; e com filtração de fora para dentro, a alimentação flui ao redor da fibra, tolerando altos níveis de sólidos em operações pressurizadas e submersas.
• A configuração de Membrana Tubular é utilizada para filtração de líquidos, contendo sólidos em suspensão. Consome maior energia e mais espaço, entretanto, é a única que pode filtrar correntes com alta concentração de sólidos, como o suco e o vinho, para clarificação e remoção de polpas, efluente de lavanderias e indústria de papel e celulose, removendo óleo, sólidos e fibras etc.
Fonte: Koch Membrane Systems.
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Custos vantajososO custo do uso de membranas em relação aos outros métodos de separação depende da aplicação e cada caso deve ser analisado. A viabilidade econômica pode pender para o lado das membranas devido ao resultado final e custo operacional apresentados. "Em muitos casos, limitações como espaço, regulamentações ambientais, qualidade requerida etc. fazem a membrana ser a solução necessária que atenderá às especificações" – dizem Henia e Johnson, da Koch Membrane.
O custo de implantação de uma planta de tratamento de efluentes é mais alto do que uma por lodos ativados. Segundo Pavan, da Kubota, este diferencial de custo vem se reduzindo ao longo dos anos com a maioria das tecnologias inovadoras. Ele cita que, nas membranas MBR do tipo placas planas, as vantagens compensam o aumento do custo de implantação: "Utilização de muito menos espaço que uma estação convencional e reutilização da água tratada, que tem excelente qualidade" – elenca.
"Os custos de Capex dos sistemas de membranas ainda são maiores comparados com os convencionais. Já os custos de Opex são menores. Em um horizonte de 5 a 10 anos de operação, os sistemas de membranas têm se mostrado mais competitivos que os convencionais" – compara Simionato, da Suez.
O custo das membranas é muito competitivo em relação a outros métodos, principalmente quando se analisa o custo total do projeto, investimento e operacional. "No investimento, existe um valor reduzido de obra civil por serem sistemas compactos e, no operacional, por ter consumos de químicos bem reduzidos, sem contar a alta qualidade final do permeado, que é bem superior" – avalia Bueno, da Toray.
Tratamento de água:
Para o tratamento de água, as principais membranas utilizadas no mercado brasileiro, segundo a Suez, são: as de Osmose Reversa, para desmineralização e potabilização; Nanofiltração, para abrandamento, potabilização e remoção de sulfato; Eletrodeionização, para desmineralização; Ultrafiltração, para potabilização, clarificação pré-tratamento para Osmose e Nanofiltração; Eletrodiálise reversa, para potabilização, redução de sais dissolvidos, antes dos processos de desmineralização; e Filtros Cartuchos, para o pré-tratamento para sistemas de Osmose Reversa e Nanofiltração.
Para água: as mais usadas são de Microfiltração e Osmose Reversa.
Ultrafiltração (UF) – Para a remoção de sólidos suspensos, bactérias e vírus.
NanoFiltração (NF) – Para a remoção de íons bivalentes e maiores.
Osmose Reversa (OR) – Para a remoção de todos os íons presentes na água.
Tratamento de efluentes:
Para efluente: Microfiltração.
Para reúso: Microfiltração/Ultrafiltração/Osmose Reversa.
MBR – Para tratamento de efluentes.
Ultrafiltração (UF) e Osmose Reversa (OR) – Para o polimento de efluentes.
"No tratamento de efluentes domésticos industriais (reúso), as membranas mais eficazes são as de Ultrafiltração (membranas de biorreator). Também são utilizadas a Eletrodiálise Reversa e a Nanofiltração para o chorume" – diz Simionato, da Suez.
Indústria:
Para indústria de alimentos (no processo): Ultrafiltração.
Para indústria química (no processo): Ultrafiltração/Nanofiltração.
Por tipo construtivo:
Fibra oca: Microfiltração/Ultrafiltração.
Tubular: Microfiltração.
Espiral: Microfiltração/Ultrafiltração/Nanofiltração/Osmose Reversa.
Fontes: Lanxess, Laffi e Suez.
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Uso de membranas
A Osmose é que produz a água mais pura, porém, dependendo da qualidade da água a ser tratada, é necessário um pré-tratamento por Ultrafiltração ou Microfiltração. "Não existe a mais eficaz, pois cada tipo tem sua faixa de atuação. A Osmose não pode ser usada para tratar efluente e a Ultrafiltração ou Microfiltração não produz água de baixa condutividade. Elas não competem entre si e, muitas vezes, se complementam" – explica Valdir Montagnoli, da engenharia de produtos da Laffi Filtration.
A infinidade de membranas é caracterizada pelo seu tipo de construção, princípio de funcionamento, submersas ou externas ao tanque de lodo etc. "Todas elas possuem características positivas e negativas. O MBR com membranas submersas de placas planas tem muitas vantagens a um custo competitivo, sendo a tecnologia mais usada em tratamento de efluentes industriais pelo mundo todo" – expõe Pavan, da Kubota.
O tipo de material e os tamanhos dos poros dependem do tipo de membrana: OR, NF, UF e MF
Principais materiais usados na fabricação das membranas:
poliamida (PA), polisulfona (PSU), polietersulfona (PES),
fluoreto de polivinilideno (PVDF) e polipropileno (PP).
Exemplos de materiais que compõem as membranas:
UF e MBR – Polietersulfona (PES) e fluoreto de polivinilideno (PVDF), entre os principais.
OR – Thin Film Composite (TFC), que é uma folha composta por três materiais sobrepostos, camada não tecido poliestireno (PS) e poliamida (PA).
Fibra oca – Fluoreto de polivinilideno (PVDF), polipropileno (PP).
Tubular – Fluoreto de polivinilideno (PVDF).
Poros - Os poros variam de mm até Angstrons (Å). A tabela abaixo resume a micragem das membranas:
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Materiais e poros
As membranas são feitas em diversos materiais de dois grupos: as poliméricas e as inorgânicas. Mais tradicionais, as poliméricas dominam comercialmente o mercado, pois são utilizadas para todos os tipos de membranas. Conhecidas como plásticas, PVDF, PES, PE etc., são mais baratas e compactas, mas têm resistência química e física inferiores às inorgânicas. Já as inorgânicas, de carbono, cerâmica, etc., estão em crescimento e são mais usadas em aplicações específicas por não possuírem todo o espectro de membranas com estes tipos de materiais.
O tamanho dos poros, além da faixa molecular de corte (MWCO), é o que define qual tipo de membrana é (MF, UF, NF ou OR). "As membranas de Microfiltração e Ultrafiltração são usadas para a remoção de sólidos suspensos e classificadas como de baixa pressão. Já as membranas de Nanofiltração e Osmose Reversa removem materiais dissolvidos em um nível de filtração de íons e se classificam como de alta pressão" – explica Bueno, da Toray.
Existem muitos tipos de materiais usados na confecção de membranas para tratamento de efluentes. A Kubota, por exemplo, utiliza o Polietileno Clorado, que possui destacada durabilidade em relação a outros materiais. "Quanto à porosidade e suas aplicações, as membranas de Osmose Reversa têm ótima performance, porém, tem custos operacionais altos, demandam alto consumo energético e exigem mais manutenção que os demais tamanhos de poros" – compara Pavan.
"As membranas de Ultrafiltração e Microfiltração têm a maior faixa de trabalho e aplicações do mercado por possibilitarem excelente qualidade da água tratada a um custo mais baixo que os outros tamanhos de poro, tanto de custos de aquisição como custos operacionais" – diz Pavan. São, também, os modelos mais utilizados nas plantas com MBR.
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