2016-08-30

Tecnologia inovadora

Tecnologia inovadora de espaçador resulta em maior desempenho de elemento de osmose reversa

Figure 1

Sao Paulo -

O mundo está ficando sem água. Até 2025, aproximadamente 1 bilhão de pessoas não terão acesso à água potável. Com este cenário, o tratamento de água por osmose reversa (OR) pode desempenhar um papel importante em aliviar a escassez de água. Mas, para esta tecnologia, os custos de energia também têm um papel importante. Qualquer melhoria na tecnologia de membrana ou elemento pode aumentar a eficiência do processo. Em um projeto de pesquisa conjunta, a Conwed Plastics e a unidade de negócios Liquid Purification Technologies (LPT) da LANXESS provaram que as inovações tecnológicas do espaçador resultam em um melhor desempenho do elemento de OR.


Osmose reversa, o processo

A osmose reversa é uma tecnologia de purificação de água que remove principalmente os íons monovalentes (por exemplo, NaCl) utilizando uma membrana semipermeável. Uma pressão aplicada é utilizada para superar a pressão osmótica natural. As membranas de OR são oferecidas na forma de elementos espirais para uma enorme variedade de aplicações em dessalinização. Frequentemente conhecidos como malha, rede ou tela, os espaçadores agem como uma das camadas espirais dos elementos OR e proporcionam uma separação vital entre as membranas para conseguir uma  filtragem eficiente.

Um elemento espiral refere-se a uma configuração de membrana, constituída por combinações de "membrana de folha plana - espaçador de canal de permeado - membrana de folha plana – espaçador de canal de alimentação", enroladas em torno de um tubo de coleta de permeado. Conforme demonstrado na Figura 1, a estrutura do elemento de membrana contém o espaçador que separa as superfícies de envelopes de membranas adjacentes. O espaçador, configurado como uma rede, mantém o canal de alimentação aberto, permitindo que a água de alimentação flua dentro dos canais de alimentação, junto com o elemento de membrana; a Figura 2 mostra um elemento de OR enrolado em espiral.


Desafios de OR

Três principais desafios são identificados no processo de tratamento de água por OR. Eles são estudados, analisados e reconhecidos como itens críticos para os fabricantes de membranas, enroladores e operadores de plantas:

•    Queda de pressão;
•    Danos na membrana;
•    Incrustação biológica e escamação;

Estes desafios estimularam os esforços tecnológicos combinados entre a Conwed Plastics e a LANXESS para desenvolver produtos de OR mais eficientes.


Efeito de espaçador na queda de pressão

O espaçador é um componente essencial nos elementos de membrana em espiral. Os espaçadores são fabricados a partir de materiais poliméricos e otimizados para manter o desempenho estável dos elementos de membrana, para uma ampla variação de parâmetros da composição de água, de alimentação e de processo.

As configurações do canal de alimentação e da rede do espaçador são mostradas esquematicamente na Figura 3. O canal de alimentação, mostrado na configuração sem invólucro, forma uma abertura retangular de especificamente de 0,7 a 0,9 mm de altura. Devido à presença do espaçador ou dos fios da rede no canal de alimentação, a área real de secção transversal aberta para o fluxo de alimentação é menor do que a secção transversal geométrica.

O comprimento do canal de alimentação é de aproximadamente 1m. A malha do espaçador, que preenche o canal de alimentação, possui filamentos ou fios posicionados em dois planos. A característica de plano duplo faz com que a corrente de alimentação mude a direção do fluxo a medida que ela flui acima e abaixo dos filamentos subsequentes. O objetivo do espaçador, além de manter a abertura do canal de alimentação, é promover a turbulência da corrente de alimentação.

A necessidade de turbulência na corrente de alimentação está relacionada com a natureza do processo de dessalinização de RO. A água de alimentação e sais dissolvidos fluem em paralelo à superfície da membrana, com uma fração da água de alimentação que passa através da membrana como permeado, deixando os íons dissolvidos na fração retida da corrente de água de alimentação.

Este processo gera excesso de concentração de íons dissolvidos na superfície da membrana, um fenômeno conhecido como polarização da concentração. A turbulência induzida pelo espaçador reduz o aumento da polarização do concentrado, melhorando o desempenho das membranas de OR. No entanto, a turbulência induzida pelo espaçador aumenta o atrito no canal de alimentação, que é traduzido em uma queda de pressão da corrente de alimentação entre os pontos de alimentação e saída do elemento.

As configurações atuais de espaçadores, utilizadas para a construção de elementos de OR em espiral, foram desenvolvidas com base no experimento prático e em estudos fundamentais. O objetivo foi criar uma condição de "mistura de fluxo", mesmo nas baixas velocidades de fluxo existentes nos canais de alimentação dos elementos de membrana em espiral. Os trabalhos subsequentes de pesquisa e desenvolvimento demonstraram a importância da geometria dos filamentos do espaçador, da configuração angular, bem como do alinhamento do espaçador com a direção do fluxo de alimentação.

Com base nos resultados experimentais e em modelagem hidráulica, a configuração do espaçador nas aplicações de OR evoluiu para uma rede de plano duplo com aberturas quadradas ou romboides. As configurações de rede romboides são comumente conhecidas como rede em diamante. O espaçador é posicionado no canal de alimentação com filamentos de rede em um ângulo de aproximadamente 45° em relação à direção do fluxo de alimentação (apresentado na Figura 3). Esta configuração resulta no equilíbrio aceitável de turbulência suficiente e mistura da corrente de alimentação, sem queda excessiva de pressão.

Esta orientação da rede do espaçador é aplicada na grande maioria dos elementos de membrana de OR e NF (nanofiltração) de configuração em espiral. A orientação dos espaçadores de alimentação, em relação à direção da corrente de alimentação, e a presença de nódulos de suporte de membrana de alta densidade, resultam em bloqueio significativo do trajeto do fluxo no canal de alimentação. Por isso, é necessário que a água de alimentação esteja muito limpa, com baixa concentração de matéria em suspensão para um funcionamento estável das unidades de membrana.

Se o canal de alimentação está limpo, sem partículas que possam bloquear o fluxo de água de alimentação, a queda de pressão em um único elemento é de aproximadamente 0,1-0,2 bar. Em sistemas de osmose reversa, os elementos de membrana trabalham confinados em um vaso de pressão. Um único vaso de pressão geralmente contém de 6 a 8 elementos de membrana, operando em série.

A queda de pressão ao longo de um vaso de pressão varia entre 0,6 e 1,5 bar. Sistemas de OR de água do mar são configurados como unidades com um estágio. Os sistemas de osmose reversa para aplicações em águas salobras são configurados principalmente como unidades com dois, ou até três estágios. Consequentemente, a queda de pressão combinada em sistemas OR de águas salobras será maior, frequentemente na variação de 1,5 a 3 bar.

O aumento necessário da pressão de alimentação do sistema de OR, devido à queda de pressão de concentrado-alimentação, é aproximadamente igual a metade do valor da queda de pressão. Portanto, a configuração do espaçador deve proporcionar turbulência e mistura suficientes na área adjacente à superfície da membrana, sem aumento significativo da queda de pressão no canal de alimentação.

As perdas por atrito nos canais de alimentação de elemento de membrana contribuem para o consumo geral de energia da unidade de OR. Com base nas eficiências comuns de bombas e motores de alimentação, cada bar de queda de pressão é equivalente ao consumo de energia adicional de cerca de 0,025 kWh/m3 de água de produto produzido. Durante a operação do sistema, algumas partículas oriundas da alimentação serão depositadas nos canais de alimentação dos elementos de OR, contribuindo para o aumento da queda de pressão. Os elementos podem ser danificados por operação em uma queda de pressão muito elevada. Ainda assim, alguns sistemas vão operar por longos períodos de tempo (entre limpezas de elementos de membrana) com queda de pressão de 50% a 100% maior do que a queda de pressão inicial no início da operação do sistema.

A taxa de aumento da queda de pressão depende principalmente da qualidade da água de alimentação. No entanto, espaçadores com pressão de alimentação inicial mais baixa mostram menor taxa de aumento da queda de pressão. Isto resulta em consumo de energia menor da planta de OR ao longo da duração da operação.


Projeto de pesquisa conjunto resulta em geometria otimizada de espaçador chamada de Design de Fio Alternado (ASD, sigla em inglês)

Com base no conhecimento acima, foi iniciado um projeto de pesquisa em conjunto para desenvolver uma nova tecnologia do espaçador para abordar os desafios mencionados. Num primeiro passo, foram avaliadas geometrias básicas de espaçadores, usando amostras impressas em 3D. Em seguida, foram feitos cálculos detalhados de CFD (Computational Fluid Dynamics) para queda de pressão decrescente e áreas de baixo fluxo minimizado. As áreas de baixa velocidade, vistas como o ponto de partida para, por exemplo, incrustação biológica, foram calculadas, fazendo uso de espaçadores de alimentação com fios iguais, fios alternados e fio do tipo gargalo (Figura 4). Os resultados básicos destes cálculos estão resumidos na Figura 5, que mostra o espaçador com fio alterado do sistema, bem equilibrado em relação à queda de pressão, ao mesmo tempo em que minimiza as áreas de baixa velocidade da água de alimentação.

Para provar o desempenho de espaçadores ASD, vários tipos diferentes de espaçadores, agora produzidos utilizando tecnologia de produção de malha em larga escala, foram testados em um programa de medição da célula de fluxo. O desempenho de queda de pressão foi avaliado. As amostras de espaçador foram instaladas em uma célula de fluxo especial* e testadas usando condições diferentes para, por exemplo, fluxo de alimentação, tempo ou condições de incrustação. Uma seleção de materiais de espaçadores testados é mostrada na Figura 6, juntamente com os resultados correspondentes da queda de pressão na Figura 7, a uma determinada taxa de fluxo de 20 l/h. Similar às indicações recebidas por cálculos de CFD, esta pesquisa confirma um desempenho melhor do material do espaçador com base na nova tecnologia de Design de Fio Alternado (ASD).

Os resultados apresentados indicam que o objetivo pretendido do espaçador ASD pode ser alcançado. Os elementos de OR construídos com tal geometria de espaçador inovadora conseguem uma menor queda de pressão. Como consequência leva a uma economia no consumo de energia. Além disso, o novo tipo de espaçador ASD mostra um padrão de fluxo ajustado resultando em menor tendência de incrustação biológica. Isto é visto como um avanço para a durabilidade de tais elementos de membrana de RO.

*(Simulador de incrustação de membrana MFS [The potential of standard and modified feed spacers for biofouling control, Araújo, P.; Kruithof, J.; Loosdrecht, M. V. & Vrouwenvelder, J Journal of Membrane Science , 2012, 403 - 404, 58 – 70])


Sobre a Conwed Plastics

A Conwed Plastics, com sede em Genk, na Bélgica, é a empresa líder no fornecimento de soluções amplas e inovadoras de rede de plástico de fonte única. Há mais de 40 anos, a Conwed fornece para as indústrias de não tecidos e filtração, redes que atendem a requisitos específicos. Por meio de engenharia personalizado, a Conwed desenvolve redes sob medida em função de características distintas e especificações de desempenho de produto introduzidas pelos seus clientes.


Sobre a LANXESS

A LANXESS é líder em especialidades químicas, com vendas de EUR 7,9 bilhões em 2015. Atualmente conta com cerca de  16.600 funcionários em 29 países.  A companhia possui 52 unidades de produção ao redor do mundo.  O core business da LANXESS é o desenvolvimento, fabricação e comercialização de intermediários químicos, especialidades químicas e plásticos. Por meio  da ARLANXEO, uma joint venture com a Saudi Aramco, a LANXESS é também líder em fornecimento de borracha sintética. A LANXESS é uma companhia membro do Dow Jones Sustainability Index ( (DJSI World e DJSI Europe) e FTSE4Good Index.

No Brasil, está representada por meio de suas 8 unidades de negócio, possui aproximadamente 1.100 funcionários, 7 unidades produtivas, laboratórios e escritórios, distribuídos pelas cidades de São Paulo e Porto Feliz (SP), São Leopoldo e Triunfo (RS), Duque de Caxias (RJ) e Cabo de Santo  Agostinho (PE).

A unidade de negócios Liquid Purification Technologies (LPT) é um dos principais fornecedores mundiais de produtos para tratamento de água e outros meios líquidos. Os sites de produção estão localizados em Leverkusen e Bitterfeld, na Alemanha, e em Jhagadia, na Índia. A LPT pertence ao segmento Performance Chemicals da LANXESS.


Contato

Conwed Plastics
Marcel Habetslaan
203600 Genk, Bélgica
Tel +32 (0)89 84 83 10
sales@conwedplastics.com
www.conwedplastics.com
Pessoa de contato: Stefan Tielen, gerente geral da Conwed Plastics Europa/Ásia

Ricardo Pinheiro
Gerente de Unidade de Negócios - LPT
LANXESS Indústria de Produtos Químicos e Plásticos LTDA.
Av. Maria Coelho de Aguiar, 215 - Bl. B - 2° andar
05804-902 - Jardim São Luís - São Paulo - SP - Brasil
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E-mail: ricardo.pinheiro@lanxess.com
Website: www.lanxess.com.br