Química da água na osmose inversa: prevenção de incrustações e colmatação

A proteção das membranas de osmose inversa começa pela compreensão da água de alimentação. Os sais dissolvidos, as partículas em suspensão, os microrganismos e a matéria orgânica exigem, cada um, uma abordagem diferente de pré-tratamento.

Este guia explica como a química da água e as condições de funcionamento influenciam a incrustação e a colmatação, e apresenta os principais métodos de prevenção para sistemas de osmose inversa de água salobra e água do mar.

Nesta página

• Avaliar a água de alimentação e a recuperação
• Prevenir incrustações minerais
• Compreender os cálculos de incrustação
• Controlar as incrustações de sílica
• Remover partículas, coloides e metais
• Controlar a colmatação biológica
• Reduzir a colmatação por matéria orgânica
• Comparar opções de pré-tratamento

1. Avaliar a água de alimentação e a recuperação

Uma avaliação do pré-tratamento considera a origem da água, a temperatura, o pH, a alcalinidade, os sais dissolvidos, a sílica, o ferro e o alumínio, juntamente com os sólidos em suspensão, a matéria orgânica e a atividade microbiana. A taxa de recuperação prevista determina até que ponto os constituintes retidos se concentram.

Para uma estimativa inicial, supondo uma passagem de sais desprezável e ausência de precipitação:

Esta estimativa simplificada não inclui a polarização de concentração: as concentrações à superfície da membrana podem ser superiores às existentes no seio da água. Um dimensionamento detalhado também deve ter em conta as interações entre iões, o desempenho da membrana e a disposição das etapas de osmose inversa.

2. Prevenir incrustações minerais

As incrustações ocorrem quando sais pouco solúveis precipitam e se depositam na membrana. Entre as possíveis incrustações estão as de carbonato de cálcio, sulfato de cálcio, sulfato de bário, sulfato de estrôncio e fluoreto de cálcio. O método de prevenção adequado depende dos sais presentes e das respetivas concentrações nas condições de funcionamento.

Dosagem de ácido

A redução do pH pode diminuir o potencial de incrustação por carbonato de cálcio. A dosagem de ácido não oferece a mesma proteção contra incrustações de sulfatos. O ácido sulfúrico também adiciona sulfato, o que pode aumentar o risco de precipitação de sulfatos de cálcio, bário ou estrôncio.

Dosagem de anti-incrustante

Os anti-incrustantes retardam a formação e o crescimento de cristais; algumas formulações também dispersam partículas. A seleção do produto e a dosagem dependem da análise completa da água, da recuperação, da temperatura e da compatibilidade com a membrana. A compatibilidade com os coagulantes utilizados a montante é particularmente importante: os polímeros catiónicos residuais podem reagir com anti-incrustantes aniónicos e formar depósitos.

Abrandamento

A permuta catiónica com resina de ácido forte pode remover a dureza e outros catiões formadores de incrustações. A permuta catiónica com resina de ácido fraco proporciona um abrandamento parcial associado à alcalinidade de bicarbonatos. O abrandamento com cal e com cal e soda oferece alternativas baseadas na precipitação. A seleção deve considerar a dureza residual, o pH, a regeneração ou a gestão das lamas e a filtração a jusante.

Ajuste da recuperação

Reduzir a recuperação diminui a concentração dos sais retidos no concentrado, mas aumenta o volume de água rejeitada. A recuperação deve ser definida em conjunto com o pré-tratamento, em vez de ser tratada como uma meta operacional independente.

3. Compreender os cálculos de incrustação

A incrustação por carbonatos pode ser avaliada através do Índice de Saturação de Langelier (LSI) ou, para águas de maior salinidade, do Índice de Saturação de Stiff e Davis. Um índice positivo indica uma tendência termodinâmica para a precipitação de carbonato de cálcio; não descreve todos os tipos de incrustação.

Para outros sais pouco solúveis, a avaliação do risco de incrustação compara o produto das atividades iónicas com o produto de solubilidade correspondente. A temperatura, a força iónica e a especiação química afetam o resultado. As concentrações, por si só, não substituem integralmente uma avaliação baseada nas atividades.

Utilize as condições do concentrado para avaliar o risco. Os limites de funcionamento com anti-incrustante devem basear-se nas projeções do fornecedor selecionado e nas orientações do fabricante da membrana, e não num único limite universal de saturação.

4. Controlar as incrustações de sílica

A sílica concentra-se à medida que a recuperação aumenta. A sua solubilidade depende da temperatura e do pH, enquanto o ferro e o alumínio podem contribuir para a formação de depósitos de silicatos difíceis de remover.

As opções de controlo incluem reduzir a recuperação, remover a sílica por meio de um pré-tratamento adequado e utilizar uma formulação compatível para o controlo da sílica, quando aplicável. Qualquer ajuste do pH ou da temperatura também deve ser avaliado face a outros riscos de incrustação e aos limites de funcionamento da membrana.

Avalie separadamente as formas dissolvidas e coloidais. A filtração de partículas não remove sílica dissolvida nem metais dissolvidos.

5. Remover partículas, coloides e metais

Os sólidos em suspensão e os coloides podem depositar-se nas membranas e restringir o fluxo. Dependendo da qualidade da água de alimentação, o pré-tratamento pode incluir coagulação e floculação, clarificação, filtração em meio granular, microfiltração ou ultrafiltração.

O ferro e o manganês exigem especial atenção, porque a oxidação pode converter as espécies dissolvidas em partículas insolúveis. Se a oxidação fizer parte do pré-tratamento, os sólidos resultantes têm de ser removidos antes das membranas de osmose inversa.

A filtração por cartuchos constitui uma barreira final contra partículas, mas não deve compensar um tratamento inadequado a montante. Verifique a passagem de coagulantes, floculantes e hidróxidos metálicos, além das partículas presentes na água bruta.

6. Controlar a colmatação biológica

Os microrganismos que chegam a um sistema de osmose inversa podem aderir às superfícies e formar biofilmes. O aumento da pressão diferencial e a diminuição do caudal normalizado de permeado podem indicar colmatação, embora estes sintomas, por si só, não identifiquem a sua causa.

Uma estratégia de controlo biológico combina um pré-tratamento adequado, a monitorização microbiana e o controlo do crescimento em reservatórios, tubagens e filtros. A cloração ou o tratamento por UV a montante podem ser adequados, dependendo da qualidade da água e da configuração do processo.

Quando se utiliza cloro a montante de membranas de poliamida sensíveis ao cloro, o oxidante residual tem de ser controlado antes da etapa de osmose inversa. O carvão ativado e o bissulfito de sódio ou metabissulfito de sódio são opções de descloração. A dosagem dos produtos químicos, a mistura e a monitorização devem seguir os requisitos da membrana selecionada.

7. Reduzir a colmatação por matéria orgânica

A matéria orgânica natural, os óleos, as gorduras e alguns polímeros podem adsorver-se nas membranas e reduzir o caudal de permeado. A sua remoção depende da forma e da composição: a coagulação, o carvão ativado e a ultrafiltração podem atuar sobre diferentes frações orgânicas.

Avalie a contaminação orgânica em conjunto com os produtos químicos de tratamento propostos. Um processo que remove partículas de forma eficaz pode, ainda assim, permitir que substâncias orgânicas dissolvidas cheguem às membranas de osmose inversa.

8. Comparar opções de pré-tratamento

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