Destilação por membrana de contacto direto
- Introdução
- Função do Processo
- Vantagens e Desvantagens
- Aplicações na Indústria de Processos
1) Introdução
A Destilação por Membrana (DM) é um processo de transporte termicamente acionado que utiliza membranas hidrofóbicas. A força motriz do método é a diferença de pressão de vapor entre os dois lados dos poros da membrana, permitindo a transferência de massa e calor dos componentes voláteis da solução (por exemplo, água). A simplicidade da DM, juntamente com o facto de poder utilizar calor residual e/ou fontes de energia alternativas, como a energia solar e geotérmica, permite que a DM seja combinada com outros processos em sistemas integrados, tornando-a uma técnica de separação promissora.
Figura 1, Potencial de calor residual por setor industrial na UE (%), Avaliação preliminar do potencial de calor residual nas principais indústrias europeias (2017)
2) Função do Processo
Figura 2, Esquema simplificado do processo MD.
A força motriz para o processo de MD é dada pela diferença de pressão de vapor gerada por uma diferença de temperatura através da membrana. Como a força motriz não é puramente térmica, a MD pode ser mantida a uma temperatura muito mais baixa (30-60 °C) do que a destilação térmica convencional. A natureza hidrofóbica da membrana impede a entrada de moléculas de água devido às tensões superficiais. Esta última não se aplica ao vapor de água, que cria uma diferença de pressão e viaja através do sistema de poros da membrana, condensando no lado frio oposto da membrana. O processo remove cerca de 85% da água da solução de alimentação e pode ser resumido em três etapas: (1) formação de um espaço de vapor na interface da solução de alimentação quente com a membrana; (2) transporte da fase vapor através do sistema microporoso; (3) condensação do vapor na interface membrana-solução do lado frio.
A forma como a diferença de pressão de vapor é criada através da membrana é determinada pela configuração do módulo MD. Na configuração mais comum, a destilação por membrana de contacto direto (DCMD), o lado do permeado consiste num líquido de condensação (geralmente água limpa) que está em contacto direto com a membrana. Em alternativa, o solvente evaporado pode ser recolhido numa superfície de condensação que pode ser separada da membrana através de um espaço de ar (AGMD) ou vácuo (VMD), ou pode ser descarregado através de um gás de arraste frio e inerte (SGMD).
Fig. 3, definições de MD.
A seleção da membrana é o fator mais crucial no desempenho da separação por MD. Existem dois tipos comuns de configurações de membrana,
- Membrana de fibra oca preparada principalmente de polipropileno (PP), fluoreto de polivinilideno (PVDF) e PVDF - politetrafluoroetileno (PTFE), material compósito
- Membrana plana preparada principalmente de PP, PTFE e PVDF
O PTFE apresenta a maior hidrofobicidade, boa estabilidade química e térmica e resistência à oxidação, mas também a maior condutividade, o que provoca uma maior transferência de calor através das membranas de PTFE (reduzindo, assim, a diferença de temperatura e a transferência de vapor). O PVDF possui boa hidrofobicidade, resistência térmica e resistência mecânica, podendo ser facilmente preparado em membranas com estruturas de poros versáteis.
O PP apresenta boa resistência térmica e química.
Figura 4. Consumos Específicos de Energia (SECs) das tecnologias de tratamento de salmoura em kWh/m³ versus a sua Capacidade Máxima de TDS em mg/L (ppm). Em série, temos: Flash Multiestágio (MSF), Destilação de Múltiplo Efeito (MED), Compressão Mecânica de Vapor (MVC), Eletrodiálise/Eletrodiálise Inversa (ED/EDR), Osmose Direta (FO) e Destilação por Membrana (MD). O FO e o MD podem utilizar calor residual até 90% da sua Procura de Energia Térmica.
3) Vantagens e Desvantagens
Vantagens:
- Baixo consumo de energia
- Não é muito afetado pela polarização da concentração
- Rejeição teórica de 100% dos componentes não voláteis, sem limite na concentração da alimentação
As vantagens da MD, em comparação com os métodos de separação convencionais, são principalmente a menor pressão e a baixa temperatura necessária (30-60 °C), o que leva a custos de energia mais baixos e a propriedades mecânicas menos exigentes para os módulos. Ao contrário da destilação e da OR, a solução de alimentação pode ser separada a uma temperatura inferior ao seu ponto de ebulição (à pressão atmosférica). Com os baixos requisitos de calor, pode ser utilizado calor residual industrial, bem como fontes de energia renováveis, como a solar, eólica e geotérmica.
Além disso, em comparação com a osmose inversa (RO), a destilação por membrana (MD) é menos suscetível a limitações de fluxo causadas pela polarização de concentração. Temperaturas de alimentação muito baixas podem produzir taxas razoavelmente elevadas de água purificada e podem ser mais práticas tendo em conta a natureza de algumas impurezas da água (por exemplo, problemas de incrustação a altas temperaturas). Teoricamente, a MD oferece 100% de retenção para substâncias dissolvidas não voláteis, sem limite para a concentração de fornecimento.
Desvantagens:
- Consumo de energia relativamente elevado (apesar da fonte de energia ser de baixa temperatura)
- Custo do módulo relativamente elevado
- Fluxo baixo em comparação com outras membranas acionadas por pressão
- Surfactantes ou contaminantes anfifílicos podem provocar o humedecimento da membrana (fugas de solução salina através da membrana, contaminando o permeado)
Os principais fatores que ainda dificultam a aplicação industrial da MD são o fluxo de permeado relativamente baixo em comparação com os processos de membrana baseados na pressão, as reduções de fluxo causadas pela polarização de concentração, a incrustação e o humedecimento dos poros da membrana, o elevado custo dos módulos de MD e o elevado consumo de energia térmica.
4) Aplicações na Indústria de Processos
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Destilação por membrana de contacto direto