Laboratório e Análises

5 de fevereiro de 2013

Separação por membranas – Destaque para sua versatilidade em diferentes aplicações.

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Publicado por: Claudio Roberto de F. Pacheco
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    A versatilidade da ultrafiltração

    A

    pós ter comentado, nas colunas anteriores, as separações por membranas em osmose reversa e nanofiltração, com suas habilidades de separar certos tamanhos de moléculas e íons, descrevo agora a separação por membranas em ultrafiltração, procurando destacar sua versatilidade em diferentes aplicações.

    Química e Derivados, Ponto Crítico - Tabela 1: Valores de referência de capital investido

    Ponto Crítico – Tabela 1: Valores de referência de capital investido

    A ultrafiltração (UF) é constituída por membranas usualmente utilizadas para separar água e microssolutos de macromoléculas e coloides nela existentes. A Figura 1 representa de maneira esquemática a estrutura de uma membrana utilizada em UF. Ela possui uma fina superfície com poros na faixa entre 0,01 e 0,05 µm, responsável pela separação dos constituintes da solução ou suspensão, que se apoia em um substrato de porosidade maior que lhe oferece suporte mecânico. Conforme já pudemos comentar em colunas anteriores, a escolha de um sistema de separação por membranas nunca deve ser simplificada, assim, quando se lê que uma membrana de UF tem habilidade de separar macromoléculas com massa molecular (MM) superior a 10.000 Daltons, isso é meia verdade.

    O potencial usuário deve estar atento ao fato de que outros aspectos também são fundamentais. Neste caso, destacamos como acréscimo a forma da macromolécula. Aquelas de formato globular, representadas na Figura 1 em cor laranja, como proteínas com MM de cerca de 35.000 Daltons, apresentam retenção da ordem de 90%, enquanto as macromoléculas de polímeros lineares, representadas na mesma figura em cor preta, com MM da ordem de 100.000 Daltons, não são retidas, pois “escorregam” facilmente pelos poros da membrana. Outro aspecto a chamar a atenção é o pH da solução, pois alguns polieletrólitos são retidos em certa faixa de pH e passam pela membrana em outra faixa, dadas as mudanças em suas configurações geométricas em função do pH da solução.

    Pela natureza das macromoléculas retidas, com seu alto peso molecular, a questão da incrustação deve ser observada cuidadosamente. A Figura 2 esquematiza um elemento de UF mostrando as componentes de velocidade axial do concentrado e radial do permeado, representadas por setas marrons. Conforme já explicado, nas proximidades da superfície de separação, a concentração de macromoléculas é elevada, o que constitui a polarização da membrana e a consequente diminuição da vazão de permeado. Como a velocidade axial nas proximidades da superfície de separação é muito baixa, fica difícil remover esta concentração de macromoléculas nesta posição. Para mitigar este inconveniente, adotam-se operações com as maiores vazões de alimentação possíveis, de maneira que aumentem a turbulência do escoamento no interior do elemento filtrante e, assim, “carreguem” mais facilmente as macromoléculas retidas e também efetuem procedimentos de limpeza, de forma que se obtenha o maior volume processado no ciclo de operação e limpeza.

    Química e Derivados, Ponto Crítico - Figura 1: Esquema de membrana de ultrafiltração

    Ponto Crítico – Figura 1: Esquema de membrana de ultrafiltração

    Essa estratégia operacional justifica a concepção de estágios de UF em série em vez de um único estágio. Observe a Figura 3: ela representa um processo de ultrafiltração em dois estágios. A bomba de cada estágio aspira uma mistura composta pela vazão de recirculação e pela vazão de alimentação, que, por sua vez, na região de descarregamento, é dividida pela ação de válvulas em uma corrente que alimenta a membrana de UF e outra que alimenta o próximo estágio ou é a corrente de concentrado final. Está configuração pode parecer estranha, dando a impressão de que não haveria um tratamento controlado na corrente de concentrado final. Por exemplo, suponhamos que a corrente de alimentação inicial possua uma concentração de 1% da macromolécula a separar e que a corrente de concentrado final deva chegar a 8%. Pelos motivos anteriormente citados, as vazões através das membranas de UF são da ordem de cinco a dez vezes maiores do que aquelas utilizadas na osmose reversa. Este é o fator de multiplicação utilizado

    com relação à vazão de alimentação. Em nosso exemplo, no primeiro estágio, a mistura da vazão de recirculação com a de alimentação elevaria a concentração da mistura para aproximadamente 3%, e 75% do permeado seria removido neste estágio. No segundo estágio, a mistura da vazão de recirculação com a vazão de alimentação faria com que a bomba aspirasse uma corrente com concentração de 8%, ou seja, a vazão de recirculação vem em concentração de 9% se sua vazão for de cinco vezes a vazão de alimentação, e 25% do permeado seria removido neste estágio.


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