Máquinas e Equipamentos

28 de março de 2013

Separação por membranas – Características da microfiltração

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Publicado por: Claudio Roberto de F. Pacheco
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    Esta coluna encerra a série sobre separação por membranas. Desde a edição de julho deste ano, mostrei um pouco desta tecnologia que se revela cada vez mais promissora para a resolução de inúmeros problemas de processos químicos. Procurei esclarecer e chamar a atenção do gerente industrial para os diferentes detalhes da osmose reversa, nanofiltração, ultrafiltração e, agora, da microfiltração. Acredito que as informações aqui veiculadas, somadas à rica literatura existente, citada aqui por mim, ajudarão o leitor a melhor se posicionar quando estiver envolvido com esta questão.

    Química e Derivados, Cláudio Roberto de Freitas Pacheco, Ponto Crítico, Separação por membranasA microfiltração (MF) constitui uma das classes de separação por membranas com uma porosidade na faixa de 0,1 a 0,2 µm. São muito utilizadas para separar material particulado em suspensão com tamanhos entre 0,1 e 10 µm. A MF é a fronteira com os filtros convencionais, sendo apontada sua aparição como dispositivo comercial em 1926.

    Os dispositivos de MF operam em duas formas de escoamento. A primeira, denominada “em linha”, é esquematizada na Figura 1A. O equipamento é bem simples e nele toda a vazão de alimentação da suspensão atravessa a membrana. À medida que o material particulado se acumula na superfície da membrana, a vazão de processo diminui para uma pressão constante de operação, e, a partir de certa vazão mínima de operação, o elemento filtrante é substituído. Em alguns modelos, a operação é interrompida e se promove um fluxo reverso, chamado retrolavagem, que destaca boa parte do material particulado aderido à superfície da membrana. Finda esta operação, o escoamento volta ao sentido original. A MF “em linha” é uma boa opção para suspensões com no máximo 0,1% de sólidos em suspensão.

    A segunda forma de escoamento em MF, esquematizada na Figura 1B, é denominada de “fluxo cruzado”. Neste caso, o equipamento é mais complexo que o anterior, porém pode processar muito bem suspensões com concentração de sólidos da ordem de 0,5% durante largos períodos de tempo antes de uma parada para limpeza, pois a contínua remoção do concentrado diminui sobremaneira a taxa de deposição do material particulado sobre a superfície da membrana.

    Química e Derivados, Cláudio Roberto de Freitas Pacheco, Ponto Crítico, Separação por membranasUma utilização importante da MF, entre outras, é para água potável das redes municipais. Neste caso, a sua capacidade de reter micro-organismos é crítica e esta característica está ligada ao tamanho de seus poros. Assim, a possibilidade de detectar eventuais defeitos de fabricação da membrana se torna importante. Como a medição direta do tamanho dos poros é complicada, certas bactérias de tamanho conhecido são utilizadas e testes com medidas da concentração da bactéria na solução de alimentação [Cf] e no permeado [Cp] são efetuados. Estas duas medições permitem que se calcule um índice denominado LRV – Log Reduction Value, igual ao log(Cf/Cp). Em filtração de águas municipais nos EUA, para aprovação da membrana, é requerido um LRV acima de quatro, já a indústria farmacêutica e a de eletrônica requerem LRV superior a sete. Outro parâmetro importante na caracterização do tamanho dos poros de membranas de MF é o chamado “bubble point pressure”, cujo princípio é esquematizado na Figura 2. Uma membrana em um suporte é embebida em água, caso seja hidrofílica, ou em metanol, caso seja hidrofóbica, mantendo-se um pequeno filme de líquido sobre ela. Na câmara inferior é introduzido ar cuja pressão vai sendo lentamente aumentada enquanto a superfície superior do filme de líquido é observada. No momento em que surgem as primeiras bolhas de ar no filme de líquido, a pressão do ar é anotada como a “bubble point pressure” daquela membrana. A partir dele o raio do maior poro é estimado por uma expressão que incorpora, além daquele valor, a tensão superficial do líquido e o ângulo de contato líquido/sólido.

    Química e Derivados, Cláudio Roberto de Freitas Pacheco, Ponto Crítico, Separação por membranasOs sistemas de MF “em linha” apresentam a vantagem de custo menor de aquisição em relação aos “em fluxo cruzado”, porém a questão da substituição do elemento filtrante ou o tempo de execução da retrolavagem, que tira o sistema de operação, encarece o seu uso. Uma recomendação provinda dos estudos de Porter [4] prevê a utilização de elementos de filtração em série com porosidades diferentes. A Figura 3 esquematiza um exemplo em que o primeiro estágio de filtração possui uma membrana com porosidade de cinco a 50 vezes maior do que o segundo estágio, no qual a membrana apresenta uma porosidade de 0,1 a 0,2 µm. Porter [4] recomenda que a escolha da porosidade da membrana do primeiro estágio seja feita com muito critério. A Figura 4, adaptada de seus estudos, mostra quatro gráficos da variação da pressão por meio do elemento filtrante com vazão constante em função do volume de filtrado produzido. Na parte (a) é apresentado o que ocorreria se apenas o segundo estágio estivesse presente: as partículas mais grossas da suspensão entupiriam o filtro rapidamente. Na parte (b), o primeiro estágio foi escolhido com uma porosidade muito grande, como consequência, a queda de pressão neste primeiro estágio se altera muito pouco e o segundo estágio apresenta uma diminuição de pressão muito pequena em relação à situação em que o primeiro estágio não existe. O item (c) mostra o caso inverso, no qual o primeiro estágio possuiu uma porosidade muito pequena e por isso a subida de pressão ao longo da operação é mais rápida do que a do segundo estágio. Finalmente, o item (d) mostra uma situação em que a porosidade do primeiro estágio está corretamente balanceada para a particular suspensão, permitindo gerar um volume significativo de filtrado antes da parada para substituição ou limpeza. Este estudo reforça ainda mais todas as recomendações listadas nas colunas publicadas nos meses anteriores sobre as informações preliminares que devem ser levantadas pelo gerente industrial antes de especificar esses sistemas.


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