Osmose Inversa - Reverse osmosis

Dessalinização de água
Métodos

Osmose reversa ( RO ) é um processo de purificação de água que usa uma membrana parcialmente permeável para separar íons , moléculas indesejadas e partículas maiores da água potável. Na osmose reversa, uma pressão aplicada é usada para superar a pressão osmótica , uma propriedade coligativa que é impulsionada por diferenças de potencial químico do solvente, um parâmetro termodinâmico . A osmose reversa pode remover muitos tipos de espécies químicas dissolvidas e suspensas , bem como biológicas (principalmente bactérias) da água, e é usada tanto em processos industriais quanto na produção de água potável . O resultado é que o soluto é retido no lado pressurizado da membrana e o solvente puro pode passar para o outro lado. Para ser "seletiva", essa membrana não deve permitir que grandes moléculas ou íons passem pelos poros (orifícios), mas deve permitir que componentes menores da solução (como moléculas de solvente, por exemplo, água, H 2 O) passem livremente.

No processo normal de osmose , o solvente se move naturalmente de uma área de baixa concentração de soluto (alto potencial de água ), através de uma membrana, para uma área de alta concentração de soluto (baixo potencial de água). A força motriz para o movimento do solvente é a redução na energia livre de Gibbs do sistema quando a diferença na concentração do solvente em ambos os lados de uma membrana é reduzida, gerando pressão osmótica devido ao solvente se mover para a solução mais concentrada. Aplicar uma pressão externa para reverter o fluxo natural de solvente puro, portanto, é osmose reversa. O processo é semelhante a outras aplicações de tecnologia de membrana.

A osmose reversa difere da filtração porque o mecanismo de fluxo do fluido é por osmose através de uma membrana. O mecanismo de remoção predominante na filtração por membrana é a deformação, ou exclusão de tamanho, onde os poros são de 0,01 micrômetros ou maiores, de modo que o processo pode teoricamente atingir uma eficiência perfeita, independentemente de parâmetros como a pressão e a concentração da solução. Em vez disso, a osmose reversa envolve a difusão de solvente através de uma membrana que não é porosa ou usa nanofiltração com poros de 0,001 micrômetros de tamanho. O mecanismo de remoção predominante é de diferenças na solubilidade ou difusividade, e o processo depende da pressão, concentração de soluto e outras condições.

A osmose reversa é mais comumente conhecida por seu uso na purificação de água potável da água do mar , removendo o sal e outros materiais efluentes das moléculas de água.

História

Um processo de osmose através de membranas semipermeáveis ​​foi observado pela primeira vez em 1748 por Jean-Antoine Nollet . Nos 200 anos seguintes, a osmose foi apenas um fenômeno observado em laboratório. Em 1950, a Universidade da Califórnia em Los Angeles investigou pela primeira vez a dessalinização da água do mar usando membranas semipermeáveis. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Los Angeles e da Universidade da Flórida produziram com sucesso água doce do mar em meados da década de 1950, mas o fluxo era muito baixo para ser comercialmente viável até a descoberta na Universidade da Califórnia em Los Angeles por Sidney Loeb e Srinivasa Sourirajan do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá , Ottawa, sobre técnicas para fazer membranas assimétricas caracterizadas por uma camada de "pele" efetivamente fina apoiada sobre uma região de substrato altamente porosa e muito mais espessa da membrana. John Cadotte, da FilmTec Corporation , descobriu que membranas com fluxo particularmente alto e baixa passagem de sal podiam ser feitas por polimerização interfacial de m- fenilenodiamina e cloreto de trimesoílo. A patente da Cadotte sobre este processo foi objeto de litígio e, desde então, expirou. Quase todas as membranas de osmose reversa comerciais agora são feitas por esse método. Em 2019, havia aproximadamente 16.000 usinas de dessalinização operando em todo o mundo, produzindo cerca de 95 milhões de metros cúbicos por dia (25 bilhões de galões americanos por dia) de água dessalinizada para uso humano. Cerca de metade dessa capacidade estava na região do Oriente Médio e Norte da África.

Trem de produção de osmose reversa, planta de osmose reversa North Cape Coral

Em 1977, Cape Coral , Flórida, tornou-se o primeiro município dos Estados Unidos a usar o processo de RO em grande escala, com uma capacidade operacional inicial de 11,35 milhões de litros (3 milhões de galões americanos) por dia. Em 1985, devido ao rápido crescimento da população de Cape Coral, a cidade tinha a maior fábrica de osmose reversa de baixa pressão do mundo, capaz de produzir 56,8 milhões de litros (15 milhões de galões americanos) por dia (MGD).

Formalmente, a osmose reversa é o processo de forçar um solvente de uma região de alta concentração de soluto através de uma membrana semipermeável para uma região de baixa concentração de soluto aplicando uma pressão em excesso à pressão osmótica. A maior e mais importante aplicação da osmose reversa é a separação da água pura da água do mar e água salobra ; a água do mar ou água salobra é pressurizada contra uma superfície da membrana, causando o transporte de água sem sal através da membrana e o surgimento de água potável no lado da baixa pressão.

As membranas usadas para osmose reversa têm uma camada densa na matriz do polímero - seja a pele de uma membrana assimétrica ou uma camada interfacialmente polimerizada dentro de uma membrana composta de filme fino - onde ocorre a separação. Na maioria dos casos, a membrana é projetada para permitir que apenas água passe por essa camada densa, evitando a passagem de solutos (como íons de sal). Este processo requer que uma alta pressão seja exercida no lado de alta concentração da membrana, geralmente 2–17 bar (30–250 psi ) para água doce e salobra e 40–82 bar (600–1200 psi) para água do mar, que tem cerca de 27 bar (390 psi) de pressão osmótica natural que deve ser superada. Este processo é mais conhecido por seu uso na dessalinização (remoção do sal e outros minerais da água do mar para produzir água doce ), mas desde o início dos anos 1970, também tem sido usado para purificar água doce para aplicações médicas, industriais e domésticas.

Aplicações de água doce

Sistema de osmose reversa de bancada

Purificação de água potável

Em todo o mundo, os sistemas domésticos de purificação de água potável , incluindo uma etapa de osmose reversa, são comumente usados ​​para melhorar a água potável e para cozinhar.

Esses sistemas normalmente incluem uma série de etapas:

  • um filtro de sedimentos para reter partículas, incluindo ferrugem e carbonato de cálcio
  • opcionalmente, um segundo filtro de sedimentos com poros menores
  • um filtro de carvão ativado para reter produtos químicos orgânicos e cloro , que irão atacar e degradar certos tipos de membrana composta de película fina
  • um filtro de osmose reversa, que é uma membrana composta de película fina
  • opcionalmente, uma lâmpada ultravioleta para esterilizar quaisquer micróbios que possam escapar da filtragem pela membrana de osmose reversa
  • opcionalmente, um segundo filtro de carbono para capturar os produtos químicos não removidos pela membrana de osmose reversa

Em alguns sistemas, o pré-filtro de carbono é omitido e uma membrana de triacetato de celulose é usada. CTA (triacetato de celulose) é uma membrana de subproduto de papel ligada a uma camada sintética e é feita para permitir o contato com o cloro na água. Isso requer uma pequena quantidade de cloro na fonte de água para evitar a formação de bactérias. A taxa de rejeição típica para membranas CTA é de 85–95%.

A membrana de triacetato de celulose tende a apodrecer, a menos que seja protegida por água clorada, enquanto a membrana composta de película fina tende a se decompor sob a influência do cloro. Uma membrana composta de película fina (TFC) é feita de material sintético e requer que o cloro seja removido antes que a água entre na membrana. Para proteger os elementos da membrana TFC dos danos do cloro, os filtros de carbono são usados ​​como pré-tratamento em todos os sistemas residenciais de osmose reversa. As membranas TFC têm uma taxa de rejeição mais alta de 95–98% e uma vida mais longa do que as membranas CTA.

Os processadores de água de osmose reversa portáteis são vendidos para purificação pessoal de água em vários locais. Para funcionar com eficácia, a água que chega a essas unidades deve estar sob alguma pressão (280 kPa (40 psi) ou mais é a norma). Os processadores de água por osmose reversa portáteis podem ser usados ​​por pessoas que vivem em áreas rurais sem água potável, longe dos canos de água da cidade. As pessoas da zona rural filtram a água do rio ou do oceano, pois o dispositivo é fácil de usar (água salgada pode precisar de membranas especiais). Alguns viajantes em longas viagens de barco, pesca ou acampamento em uma ilha, ou em países onde o abastecimento de água local é poluído ou abaixo do padrão, usam processadores de água de osmose reversa acoplados a um ou mais esterilizadores ultravioleta.

Na produção de água mineral engarrafada , a água passa por um processador de água por osmose reversa para remover poluentes e microrganismos. Nos países europeus, porém, esse processamento de água mineral natural (conforme definido por uma diretiva europeia) não é permitido pela legislação europeia. Na prática, uma fração das bactérias vivas pode e passa através das membranas de osmose reversa através de pequenas imperfeições, ou contorna a membrana inteiramente por meio de pequenos vazamentos nas vedações circundantes. Assim, os sistemas de osmose reversa completos podem incluir estágios adicionais de tratamento de água que usam luz ultravioleta ou ozônio para evitar a contaminação microbiológica.

Os tamanhos dos poros da membrana podem variar de 0,1 a 5.000 nm, dependendo do tipo de filtro. A filtração de partículas remove partículas de 1 µm ou maiores. A microfiltração remove partículas de 50 nm ou maiores. A ultrafiltração remove partículas de aproximadamente 3 nm ou maiores. A nanofiltração remove partículas de 1 nm ou maiores. A osmose reversa está na categoria final de filtração por membrana, hiperfiltração e remove partículas maiores que 0,1 nm.

Uso descentralizado: osmose reversa movida a energia solar

Uma unidade de dessalinização movida a energia solar produz água potável a partir de água salgada usando um sistema fotovoltaico que converte a energia solar na energia necessária para osmose reversa. Devido à ampla disponibilidade de luz solar em diferentes geografias, a osmose reversa movida a energia solar se presta bem à purificação de água potável em locais remotos sem rede elétrica. Além disso, a energia solar supera os custos operacionais de alta energia, bem como as emissões de efeito estufa dos sistemas convencionais de osmose reversa, tornando-a uma solução de água doce sustentável compatível com os contextos em desenvolvimento. Por exemplo, uma unidade de dessalinização movida a energia solar projetada para comunidades remotas foi testada com sucesso no Território do Norte da Austrália .

Embora a natureza intermitente da luz solar e sua intensidade variável ao longo do dia tornem a previsão da eficiência do PV difícil e a dessalinização durante a noite seja um desafio, existem várias soluções. Por exemplo, as baterias, que fornecem a energia necessária para a dessalinização em horas sem luz solar, podem ser usadas para armazenar energia solar durante o dia. Além do uso de baterias convencionais, existem métodos alternativos para armazenamento de energia solar. Por exemplo, os sistemas de armazenamento de energia térmica resolvem esse problema de armazenamento e garantem um desempenho constante mesmo durante horas sem luz solar e dias nublados, melhorando a eficiência geral.

Uso militar: a unidade de purificação de água por osmose reversa

Uma unidade de purificação de água por osmose reversa (ROWPU) é uma estação de tratamento de água portátil e independente . Projetado para uso militar, pode fornecer água potável de quase qualquer fonte de água. Existem muitos modelos em uso pelas Forças Armadas dos Estados Unidos e pelas Forças Canadenses . Alguns modelos são em contêineres , alguns são reboques e alguns são veículos próprios.

Cada ramo das forças armadas dos Estados Unidos tem sua própria série de modelos de unidades de purificação de água por osmose reversa, mas todos são semelhantes. A água é bombeada de sua fonte bruta para o módulo da unidade de purificação de água por osmose reversa, onde é tratada com um polímero para iniciar a coagulação . Em seguida, passa por um filtro multimídia, onde passa por um tratamento primário com a remoção da turbidez. Em seguida, é bombeado através de um filtro de cartucho que geralmente é de algodão enrolado em espiral. Este processo clarifica a água de quaisquer partículas maiores que 5 µm e elimina quase toda a turbidez .

A água clarificada é então alimentada por uma bomba de pistão de alta pressão em uma série de vasos onde é sujeita a osmose reversa. A água do produto está livre de 90,00–99,98% do total de sólidos dissolvidos da água bruta e, pelos padrões militares, não deve ter mais de 1000–1500 partes por milhão por medida de condutividade elétrica . Em seguida, é desinfetado com cloro e armazenado para uso posterior.

Purificação de água e esgoto

A água da chuva coletada nos bueiros é purificada com processadores de água de osmose reversa e usada para irrigação paisagística e resfriamento industrial em Los Angeles e outras cidades, como uma solução para o problema de escassez de água.

Na indústria, a osmose reversa remove minerais da água da caldeira em usinas de energia . A água é destilada várias vezes. Deve ser o mais puro possível para não deixar depósitos no maquinário ou causar corrosão. Os depósitos dentro ou fora dos tubos da caldeira podem resultar em baixo desempenho da caldeira, reduzindo sua eficiência e resultando em produção de vapor pobre, portanto, produção de energia pobre na turbina.

Também é usado para limpar efluentes e águas subterrâneas salobras . O efluente em volumes maiores (acima de 500 m 3 / dia) deve ser tratado primeiro em uma estação de tratamento de efluentes e, em seguida, o efluente límpido é submetido ao sistema de osmose reversa. O custo do tratamento é reduzido significativamente e a vida da membrana do sistema de osmose reversa é aumentada.

O processo de osmose reversa pode ser utilizado para a produção de água deionizada .

O processo de osmose reversa para purificação de água não requer energia térmica. Os sistemas de osmose reversa de fluxo podem ser regulados por bombas de alta pressão. A recuperação de água purificada depende de vários fatores, incluindo tamanhos de membrana, tamanho dos poros da membrana, temperatura, pressão operacional e área de superfície da membrana.

Em 2002, Cingapura anunciou que um processo denominado NEWater seria uma parte significativa de seus planos de água futuros. Envolve o uso de osmose reversa para tratar águas residuais domésticas antes de descarregar o NEWater de volta nos reservatórios.

Indústria alimentícia

Além da dessalinização, a osmose reversa é uma operação mais econômica para concentrar líquidos alimentares (como sucos de frutas) do que os processos convencionais de tratamento térmico. Pesquisas foram feitas sobre a concentração de suco de laranja e suco de tomate. Suas vantagens incluem um menor custo operacional e a capacidade de evitar processos de tratamento térmico, o que o torna adequado para substâncias sensíveis ao calor, como proteínas e enzimas encontradas na maioria dos produtos alimentícios.

A osmose reversa é amplamente utilizada na indústria de laticínios para a produção de proteína em pó de soro de leite e para a concentração de leite para reduzir os custos de envio. Em aplicações de soro de leite, o soro (líquido remanescente após a fabricação do queijo) é concentrado com osmose reversa de 6% de sólidos totais a 10–20% de sólidos totais antes do processamento de ultrafiltração . O retido de ultrafiltração pode então ser usado para fazer vários pós de soro de leite, incluindo isolado de proteína de soro de leite . Além disso, o permeado de ultrafiltração, que contém lactose , é concentrado por osmose reversa de 5% de sólidos totais a 18–22% de sólidos totais para reduzir a cristalização e os custos de secagem do pó de lactose.

Embora o uso do processo já tenha sido evitado na indústria do vinho, agora é amplamente compreendido e usado. Estima-se que 60 máquinas de osmose reversa estavam em uso em Bordeaux , França , em 2002. Os usuários conhecidos incluem muitos dos crescimentos de classe de elite (Kramer), como Château Léoville-Las Cases em Bordeaux.

Produção de xarope de bordo

Em 1946, alguns produtores de xarope de bordo começaram a usar osmose reversa para remover a água da seiva antes que ela se transformasse em xarope . O uso de osmose reversa permite que cerca de 75–90% da água seja removida da seiva, reduzindo o consumo de energia e a exposição do xarope a altas temperaturas. A contaminação microbiana e a degradação das membranas devem ser monitoradas.

Cerveja com baixo teor alcoólico

Quando a cerveja em concentração normal de álcool está sujeita à osmose reversa, tanto a água quanto o álcool passam pela membrana mais facilmente do que os outros componentes, deixando um "concentrado de cerveja". O concentrado é então diluído com água doce para restaurar os componentes não voláteis à sua intensidade original.

Produção de hidrogênio

Para a produção de hidrogênio em pequena escala , a osmose reversa às vezes é usada para prevenir a formação de depósitos minerais na superfície dos eletrodos .

Aquários

Muitos proprietários de aquários de recife usam sistemas de osmose reversa para sua mistura artificial de água do mar. A água da torneira comum pode conter cloro, cloraminas, cobre, nitratos, nitritos, fosfatos, silicatos ou muitos outros produtos químicos prejudiciais aos organismos sensíveis em um ambiente de recife. Contaminantes como compostos de nitrogênio e fosfatos podem levar ao crescimento excessivo e indesejado de algas. Uma combinação eficaz de osmose reversa e deionização é a mais popular entre os donos de aquários de recife e é preferida acima de outros processos de purificação de água devido ao baixo custo de propriedade e custos operacionais mínimos. Onde cloro e cloraminas são encontrados na água, a filtração de carbono é necessária antes da membrana, já que a membrana residencial comum usada pelos tratadores de recife não suporta esses compostos.

Os aquaristas de água doce também usam sistemas de osmose reversa para duplicar as águas muito macias encontradas em muitos corpos d'água tropicais. Embora muitos peixes tropicais possam sobreviver em água de torneira tratada adequadamente, a reprodução pode ser impossível. Muitas lojas aquáticas vendem recipientes de água de osmose reversa para esse fim.

Limpeza de janelas

Um método cada vez mais popular de limpar janelas é o chamado sistema de "bastão de alimentação de água". Em vez de lavar as janelas com detergente da maneira convencional, elas são esfregadas com água altamente purificada, normalmente contendo menos de 10 ppm de sólidos dissolvidos, usando uma escova na ponta de uma longa vara que é empunhada ao nível do solo. A osmose reversa é comumente usada para purificar a água.

Purificação de lixiviado de aterro

O tratamento com osmose reversa é limitado, resultando em baixas recuperações em alta concentração (medida com condutividade elétrica ) e incrustação das membranas RO. A aplicabilidade da osmose reversa é limitada pela condutividade, orgânicos e elementos inorgânicos de escalonamento, como CaSO4, Si, Fe e Ba. A escamação orgânica baixa pode usar duas tecnologias diferentes, uma está usando o tipo de módulo de membrana enrolada em espiral, e para a escamação orgânica alta, podem ser usados ​​módulos de tubo de disco de alta condutividade e pressão mais alta (até 90 bar) com membranas de osmose reversa. Módulos de tubo de disco foram reprojetados para purificação de lixiviado de aterro, que geralmente está contaminado com altos níveis de material orgânico. Devido ao fluxo cruzado com alta velocidade, é fornecida uma bomba de reforço de fluxo, que recircula o fluxo sobre a mesma superfície da membrana entre 1,5 e 3 vezes antes de ser liberado como um concentrado. A alta velocidade também é boa contra a incrustação da membrana e permite uma limpeza bem-sucedida da membrana.

Consumo de energia para um sistema de módulo de tubo de disco

Módulo de tubo de disco e módulo de enrolamento em espiral
Módulo de tubo de disco com almofada de membrana RO e módulo de enrolamento em espiral com membrana RO
Consumo de energia por m 3 de lixiviado
nome do módulo 1 estágio até 75 bar 2 estágios até 75 bar 3 estágios até 120 bar
módulo de tubo de disco 6,1-8,1 kWh / m 3 8,1-9,8 kWh / m 3 11,2-14,3 kWh / m 3

Dessalinização

As áreas que não têm ou têm água de superfície ou água subterrânea limitadas podem optar por dessalinizar . A osmose reversa é um método cada vez mais comum de dessalinização, devido ao seu consumo de energia relativamente baixo.

Nos últimos anos, o consumo de energia caiu para cerca de 3 kWh / m 3 , com o desenvolvimento de dispositivos de recuperação de energia mais eficientes e materiais de membrana aprimorados. De acordo com a International Desalination Association, para 2011, a osmose reversa foi utilizada em 66% da capacidade instalada de dessalinização (0,0445 de 0,0674 km³ / dia), e quase todas as novas usinas. Outras plantas usam principalmente métodos de destilação térmicos: -efeito múltiplo de destilação e de flash em várias fases .

A dessalinização por osmose reversa da água do mar (SWRO), um processo de membrana, tem sido usado comercialmente desde o início dos anos 1970. Seu primeiro uso prático foi demonstrado por Sidney Loeb da University of California em Los Angeles em Coalinga, Califórnia , e Srinivasa Sourirajan do National Research Council, Canadá. Como nenhum aquecimento ou mudanças de fase são necessários, os requisitos de energia são baixos, em torno de 3 kWh / m 3 , em comparação com outros processos de dessalinização, mas ainda são muito maiores do que aqueles necessários para outras formas de abastecimento de água, incluindo tratamento por osmose reversa de águas residuais , de 0,1 a 1 kWh / m 3 . Até 50% da entrada de água do mar pode ser recuperada como água doce, embora recuperações menores possam reduzir o entupimento da membrana e o consumo de energia.

A osmose reversa em água salobra refere-se à dessalinização de água com menor teor de sal do que a água do mar, geralmente de estuários de rios ou poços salinos. O processo é substancialmente o mesmo da osmose reversa da água do mar, mas requer pressões mais baixas e, portanto, menos energia. Até 80% da entrada de água de alimentação pode ser recuperada como água doce, dependendo da salinidade da alimentação.

A usina de dessalinização por osmose reversa de água do mar de Ashkelon em Israel é a maior do mundo. O projeto foi desenvolvido como uma construção-operação-transferência por um consórcio de três empresas internacionais: Veolia water, IDE Technologies e Elran.

O sistema típico de osmose reversa de água do mar de passagem única consiste em:

  • Ingestão
  • Pré-tratamento
  • Bomba de alta pressão (se não combinada com recuperação de energia)
  • Montagem de membrana
  • Recuperação de energia (se usado)
  • Remineralização e ajuste de pH
  • Desinfecção
  • Alarme / painel de controle

Pré-tratamento

O pré-tratamento é importante quando se trabalha com membranas de osmose reversa e nanofiltração devido à natureza de seu desenho em espiral. O material é projetado de forma a permitir apenas um fluxo unilateral através do sistema. Como tal, o desenho espiralado não permite o retrocesso com água ou agitação de ar para limpar sua superfície e remover sólidos. Uma vez que o material acumulado não pode ser removido dos sistemas de superfície da membrana, eles são altamente suscetíveis a incrustação (perda de capacidade de produção). Portanto, o pré-tratamento é uma necessidade para qualquer sistema de osmose reversa ou nanofiltração. O pré-tratamento em sistemas de osmose reversa de água do mar tem quatro componentes principais:

  • Triagem de sólidos: os sólidos dentro da água devem ser removidos e a água tratada para evitar o entupimento das membranas por partículas finas ou crescimento biológico e reduzir o risco de danos aos componentes da bomba de alta pressão.
  • Filtragem de cartucho: geralmente, filtros de polipropileno enrolados em cadeia são usados ​​para remover partículas de 1–5  µm de diâmetro.
  • Dosagem: Biocidas oxidantes, como o cloro, são adicionados para matar as bactérias, seguido pela dosagem de bissulfito para desativar o cloro, que pode destruir uma membrana composta de película fina. Existem também inibidores de incrustação biológica , que não matam bactérias, mas simplesmente evitam que cresçam lodo na superfície da membrana e nas paredes das plantas.
  • Ajuste de pH de pré-filtração: Se o pH, a dureza e a alcalinidade na água de alimentação resultarem em uma tendência de incrustação quando concentrados na corrente de rejeição, o ácido é dosado para manter os carbonatos em sua forma de ácido carbônico solúvel.
CO 3 2− + H 3 O + = HCO 3 - + H 2 O
HCO 3 - + H 3 O + = H 2 CO 3 + H 2 O
  • O ácido carbônico não pode se combinar com o cálcio para formar incrustações de carbonato de cálcio . A tendência de escalonamento do carbonato de cálcio é estimada usando o índice de saturação de Langelier. Adicionar muito ácido sulfúrico para controlar as incrustações de carbonato pode resultar na formação de incrustações de sulfato de cálcio, sulfato de bário ou sulfato de estrôncio na membrana de osmose reversa.
  • Anti-incrustantes de pré-filtração: Os inibidores de incrustação (também conhecidos como anti-incrustantes) evitam a formação de todas as incrustações em comparação com o ácido, o que só pode prevenir a formação de escamas de carbonato de cálcio e fosfato de cálcio . Além de inibir as incrustações de carbonato e fosfato, os anti-incrustantes inibem as incrustações de sulfato e flúor e dispersam coloides e óxidos metálicos. Apesar das alegações de que os anti-incrustantes podem inibir a formação de sílica, nenhuma evidência concreta prova que a polimerização da sílica pode ser inibida por anti-incrustantes. Os anti-incrustantes podem controlar as incrustações solúveis em ácido em uma fração da dosagem necessária para controlar a mesma incrustação usando ácido sulfúrico.
  • Algumas unidades de dessalinização de pequena escala usam 'poços de praia'; eles geralmente são perfurados na praia nas proximidades do oceano. Estas instalações de captação são relativamente simples de construir e a água do mar que coletam é pré-tratada por meio de filtração lenta através das formações de areia / fundo do mar subterrâneas na área de extração de água da fonte. A água do mar bruta coletada em poços de praia costuma ser de melhor qualidade em termos de sólidos, lodo, óleo e graxa, contaminação orgânica natural e microorganismos aquáticos, em comparação com as entradas de água do mar abertas. Às vezes, a ingestão de água na praia também pode render água de fonte de salinidade mais baixa.

Bomba de alta pressão

A bomba de alta pressão fornece a pressão necessária para empurrar a água através da membrana, mesmo que a membrana rejeite a passagem de sal através dela. As pressões típicas para água salobra variam de 1,6 a 2,6 MPa (225 a 376 psi). No caso da água do mar, eles variam de 5,5 a 8 MPa (800 a 1.180 psi). Isso requer uma grande quantidade de energia. Onde é utilizada recuperação de energia, parte do trabalho da bomba de alta pressão é feita pelo dispositivo de recuperação de energia, reduzindo as entradas de energia do sistema.

Montagem de membrana

As camadas de uma membrana

O conjunto da membrana consiste em um vaso de pressão com uma membrana que permite que a água de alimentação seja pressionada contra ele. A membrana deve ser forte o suficiente para suportar qualquer pressão aplicada contra ela. As membranas de osmose reversa são feitas em uma variedade de configurações, sendo as duas configurações mais comuns enroladas em espiral e de fibra oca.

Apenas uma parte da água de alimentação salina bombeada para o conjunto da membrana passa através da membrana com o sal removido. O fluxo de "concentrado" restante passa ao longo do lado salino da membrana para enxaguar a solução salina concentrada. A porcentagem de água dessalinizada produzida em relação ao fluxo de alimentação de água salina é conhecida como "taxa de recuperação". Isso varia com a salinidade da água de alimentação e os parâmetros de projeto do sistema: normalmente 20% para pequenos sistemas de água do mar, 40% - 50% para sistemas maiores de água do mar e 80% - 85% para água salobra. O fluxo do concentrado é tipicamente apenas 3 bar / 50 psi menor do que a pressão de alimentação e, portanto, ainda carrega grande parte da energia de entrada da bomba de alta pressão.

A pureza da água dessalinizada é uma função da salinidade da água de alimentação, seleção da membrana e taxa de recuperação. Para atingir maior pureza, uma segunda passagem pode ser adicionada, o que geralmente requer novo bombeamento. A pureza expressa como sólidos totais dissolvidos varia tipicamente de 100 a 400 partes por milhão (ppm ou mg / litro) em uma alimentação de água do mar. Um nível de 500 ppm é geralmente aceito como o limite superior para água potável, enquanto a US Food and Drug Administration classifica a água mineral como água contendo pelo menos 250 ppm.

Recuperação de energia

Esquemas de um sistema de dessalinização por osmose reversa usando um trocador de pressão .
1 : Fluxo de água do mar,
2 : Fluxo de água doce (40%),
3 : Fluxo de concentrado (60%),
4 : Fluxo de água do mar (60%),
5 : Concentrado (dreno),
A: Fluxo da bomba (40%) ,
B : Bomba de circulação,
C : Unidade de osmose com membrana,
D : Trocador de pressão
Esquema de um sistema de dessalinização por osmose reversa usando uma bomba de recuperação de energia.
1 : Fluxo de água do mar (100%, 1 bar),
2 : Fluxo de água do mar (100%, 50 bar),
3 : Fluxo de concentrado (60%, 48 bar),
4 : Fluxo de água doce (40%, 1 bar) ,
5 : Concentrado para drenar (60%, 1 bar),
A: Bomba de recuperação de pressão,
B : Unidade de osmose com membrana

A recuperação de energia pode reduzir o consumo de energia em 50% ou mais. Muito da energia de entrada da bomba de alta pressão pode ser recuperada do fluxo de concentrado, e o aumento da eficiência dos dispositivos de recuperação de energia reduziu enormemente as necessidades de energia da dessalinização por osmose reversa. Os dispositivos utilizados, por ordem de invenção, são:

  • Turbina ou roda Pelton : uma turbina hidráulica acionada pelo fluxo do concentrado, conectada ao eixo de acionamento da bomba de alta pressão para fornecer parte de sua potência de entrada. Motores de pistão axial de deslocamento positivo também têm sido usados ​​no lugar de turbinas em sistemas menores.
  • Turbocompressor: turbina hidráulica acionada pelo fluxo do concentrado, conectada diretamente a uma bomba centrífuga que aumenta a pressão de saída da bomba de alta pressão, reduzindo a pressão necessária da bomba de alta pressão e, portanto, seu aporte de energia, semelhante em princípio de construção aos turboalimentadores de motor de carro .
  • Trocador de pressão : usando o fluxo de concentrado pressurizado, em contato direto ou por meio de um pistão, para pressurizar parte do fluxo de alimentação da membrana para perto da pressão de fluxo do concentrado. Uma bomba de reforço então aumenta essa pressão em tipicamente 3 bar / 50 psi para a pressão de alimentação da membrana. Isso reduz o fluxo necessário da bomba de alta pressão em uma quantidade igual ao fluxo do concentrado, normalmente 60% e, portanto, sua entrada de energia. Eles são amplamente usados ​​em sistemas maiores de baixo consumo de energia. Eles são capazes de consumir 3 kWh / m 3 ou menos.
  • Bomba de recuperação de energia: uma bomba de pistão alternativo tendo o fluxo de concentrado pressurizado aplicado a um lado de cada pistão para ajudar a impulsionar o fluxo de alimentação da membrana do lado oposto. Estes são os dispositivos de recuperação de energia mais simples de aplicar, combinando a bomba de alta pressão e a recuperação de energia em uma única unidade autorreguladora. Eles são amplamente usados ​​em sistemas menores de baixo consumo de energia. Eles são capazes de consumir 3 kWh / m 3 ou menos.
  • Operação em lote: os sistemas de osmose reversa executados com um volume fixo de fluido (termodinamicamente um sistema fechado ) não sofrem com o desperdício de energia na corrente de salmoura, pois a energia para pressurizar um fluido virtualmente incompressível (água) é desprezível. Esses sistemas têm o potencial de atingir eficiências de segunda lei de 60%.

Remineralização e ajuste de pH

A água dessalinizada é estabilizada para proteger as tubulações e o armazenamento a jusante, geralmente adicionando cal ou soda cáustica para evitar a corrosão de superfícies revestidas de concreto. O material de calagem é usado para ajustar o pH entre 6,8 e 8,1 para atender às especificações de água potável, principalmente para uma desinfecção eficaz e para o controle da corrosão. A remineralização pode ser necessária para substituir os minerais removidos da água por dessalinização. Embora este processo tenha se mostrado caro e não muito conveniente, se destina-se a atender a demanda de minerais por humanos e plantas. Exatamente a mesma demanda mineral que as fontes de água doce forneciam anteriormente. Por exemplo, a água do transportador nacional de água de Israel normalmente contém níveis de magnésio dissolvido de 20 a 25 mg / litro, enquanto a água da fábrica de Ashkelon não contém magnésio. Depois que os fazendeiros usaram essa água, sintomas de deficiência de magnésio apareceram nas plantações, incluindo tomate, manjericão e flores, e tiveram que ser remediados por fertilização. Os atuais padrões israelenses de água potável estabelecem um nível mínimo de cálcio de 20 mg / litro. O tratamento pós-dessalinização na planta de Ashkelon usa ácido sulfúrico para dissolver calcita (calcário), resultando em concentração de cálcio de 40 a 46 mg / litro. Isso ainda é inferior aos 45 a 60 mg / litro encontrados na água doce típica israelense.

Desinfecção

O pós-tratamento consiste em preparar a água para distribuição após a filtração. A osmose reversa é uma barreira eficaz para patógenos, mas o pós-tratamento fornece proteção secundária contra membranas comprometidas e problemas posteriores. A desinfecção por meio de lâmpadas ultravioleta (UV) (às vezes chamadas de germicida ou bactericida) pode ser empregada para esterilizar patógenos que contornaram o processo de osmose reversa. A cloração ou cloraminação (cloro e amônia) protege contra patógenos que podem ter se alojado no sistema de distribuição a jusante, como em novas construções, retrolavagem, tubos comprometidos, etc.

Desvantagens

As unidades domésticas de osmose reversa usam muita água porque têm baixa contrapressão. Anteriormente, eles recuperavam apenas 5 a 15% da água que entrava no sistema. No entanto, os purificadores de água RO mais recentes podem recuperar 40 a 55% da água. O restante é descartado como água residual. Como a água residual carrega consigo os contaminantes rejeitados, os métodos de recuperação dessa água não são práticos para sistemas domésticos. A água residual é normalmente conectada aos drenos domésticos e aumentará a carga no sistema séptico doméstico. Uma unidade de osmose reversa distribuindo 20 litros (5,3 US gal) de água tratada por dia pode descarregar entre 50 e 80 litros (13 e 21 US gal) de água residual diariamente. É por esta mesma razão que o Tribunal Verde Nacional da Índia propôs banir os sistemas de purificação de água RO em áreas onde a medida de sólidos dissolvidos totais (TDS) na água é inferior a 500 mg / litro. Isso tem uma consequência desastrosa para megacidades como Delhi, onde o uso em grande escala de dispositivos domésticos de RO aumentou a demanda total de água do já árido Território da Capital Nacional da Índia.

Os sistemas industriais / municipais de grande escala recuperam normalmente 75% a 80% da água de alimentação, ou até 90%, porque podem gerar a alta pressão necessária para uma filtração de osmose reversa de recuperação superior. Por outro lado, à medida que a recuperação de águas residuais aumenta nas operações comerciais, as taxas eficazes de remoção de contaminantes tendem a ser reduzidas, conforme evidenciado pelos níveis de sólidos dissolvidos totais da água do produto .

A osmose reversa de acordo com sua construção remove tanto os contaminantes prejudiciais presentes na água quanto alguns minerais desejáveis. Os estudos modernos sobre o assunto têm sido bastante superficiais, citando a falta de financiamento e interesse em tal estudo, uma vez que a remineralização nas estações de tratamento hoje é feita para prevenir a corrosão do duto sem entrar no aspecto da saúde humana. Eles, no entanto, vinculam-se a estudos mais antigos e completos que, por um lado, mostram alguma relação entre os efeitos a longo prazo na saúde e o consumo de água com baixo teor de cálcio e magnésio; por outro, confessam que nenhum desses estudos mais antigos está de acordo com os padrões modernos de pesquisa .

Considerações sobre o fluxo de resíduos

Dependendo do produto desejado, o solvente ou a corrente de soluto da osmose reversa será um desperdício. Para aplicações de concentração de alimentos, o fluxo de soluto concentrado é o produto e o fluxo de solvente é o resíduo. Para aplicações de tratamento de água, a corrente de solvente é água purificada e a corrente de soluto é resíduo concentrado. O fluxo de resíduos de solvente do processamento de alimentos pode ser usado como água recuperada , mas pode haver menos opções para o descarte de um fluxo de soluto de resíduos concentrado. Os navios podem usar despejo marinho e usinas de dessalinização costeiras normalmente usam emissários marinhos . Plantas de osmose reversa sem saída para o mar podem exigir tanques de evaporação ou poços de injeção para evitar a poluição das águas subterrâneas ou escoamento superficial .

Novos desenvolvimentos

Desde a década de 1970, a pré-filtração de águas altamente incrustantes com outra membrana de poros maiores, com menor necessidade de energia hidráulica, foi avaliada e às vezes usada. No entanto, isso significa que a água passa por duas membranas e muitas vezes é repressurizada, o que requer mais energia para ser colocada no sistema e, portanto, aumenta o custo.

Outro trabalho de desenvolvimento recente se concentrou na integração da osmose reversa com a eletrodiálise para melhorar a recuperação de produtos desionizados valiosos ou para minimizar o volume de concentrado que requer descarga ou descarte.

Nos últimos anos, muitas empresas de purificadores de água RO domésticos começaram a encontrar uma solução para esse problema. A solução mais promissora entre essas parece ser o LPHR. LPHR, ou processo de RO multiestágio de alta recuperação e baixa pressão, produz uma salmoura muito concentrada e água doce ao mesmo tempo. Mais importante, foi considerado economicamente viável para uma recuperação de água de mais de 70% com um OPD entre 58 e 65 bar, a fim de produzir um produto de água doce contendo não mais que 350 ppm de TDS a partir de uma alimentação de água do mar com 35.000 ppm de TDS.

Kent RO Systems veio com uma tecnologia simples de 'Zero Water Wastage', que empurra de volta a água rejeitada para o tanque superior, reduzindo assim o desperdício a zero.

Na produção de água potável, os últimos desenvolvimentos incluem membranas em nanoescala e grafeno .

A maior planta de dessalinização RO do mundo foi construída em Sorek, Israel, em 2013. Ela tem uma produção de 624 mil metros cúbicos por dia (165 milhões de galões americanos por dia).

Veja também

Referências

Fontes

  • Metcalf; Eddy (1972). Engenharia de águas residuais . Nova York: McGraw-Hill Book Company.