08:09 A água doce pode ser escassa, mesmo com o oceano nas proximidades. No entanto, bombear água do mar não tratada diretamente para um sistema de osmose inversa (RO) convencional pode causar um elevado consumo de energia, formação de incrustações, obstrução e má qualidade da água produzida. Um sistema de membranas de dessalinização de água do mar devidamente concebido resolve estes problemas passo a passo.
Uma membrana de dessalinização da água do mar é uma membrana de osmose inversa de alta rejeição, concebida para separar o sal dissolvido da água do mar sob alta pressão. Num sistema de osmose inversa (RO) de água do mar, o pré-tratamento protege a membrana, a pressão impulsiona a água através da camada ativa da membrana, os sais rejeitados são eliminados sob a forma de concentrado e o permeado é submetido a um tratamento adicional para produzir água doce para uso municipal ou industrial.
Guia sobre membranas de dessalinização da água do mar: Como as membranas de osmose inversa transformam a água do mar em água doce
Uma membrana de dessalinização da água do mar é um tipo de membrana de osmose inversa concebida para água de alimentação com uma concentração de sal muito superior à da água da torneira comum ou à da maioria das fontes de água salobra.
A água do oceano contém, em média, cerca de 35 000 ppm de sais dissolvidos, embora a composição exata da água do mar varie consoante a localização. O Serviço Geológico dos Estados Unidos classifica a água com teores de sais dissolvidos entre 10 000 e 35 000 ppm como altamente salina e observa que a água do oceano se situa na extremidade superior desse intervalo.
Devido a esta elevada salinidade, a água do mar requer uma pressão muito superior à das aplicações comuns de osmose inversa (RO) com baixa salinidade.
Um elemento de membrana típico contém uma vasta área de membrana enrolada em espiral, alojada no interior de um recipiente sob pressão. A camada ativa é, normalmente, uma estrutura composta de poliamida de película fina, concebida para permitir o transporte de água, limitando ao mesmo tempo significativamente a passagem de iões dissolvidos.
Em termos simples:
Água do mar
↓
Alta pressão
↓ Membrana RO
↙ ↘
Água fresca Concentrada
Permeado SalmouraO permeado transforma-se em água dessalinizada, enquanto o sal rejeitado sai do sistema de membranas numa corrente de salmoura concentrada.
A osmose natural faz com que a água se desloque através de uma barreira semipermeável na direção do lado com maior concentração de soluto dissolvido.
Osmose inversa faz o contrário.
Uma bomba de alta pressão aplica pressão suficiente no lado da água do mar para superar a pressão osmótica. A água passa então através da membrana semipermeável, enquanto a maioria dos sais dissolvidos permanece nas correntes de alimentação e de concentrado.
O USGS descreve a osmose inversa como o processo de fazer passar água salina através de uma membrana semipermeável, de modo a separar a água do sal dissolvido.
O processo pode ser resumido da seguinte forma:
Água de alimentação → Pressão → Separação por membrana → Água produzida + Concentrado
Essa explicação é comum, mas é demasiado simplista.
As pessoas falam frequentemente dos poros das membranas, mas as modernas membranas de osmose inversa (RO) compostas de película fina não se comportam como um filtro de rede ou cartucho comum, com orifícios claramente definidos.
Uma explicação mais precisa, do ponto de vista da engenharia, é que a água e as espécies dissolvidas interagem de forma diferente com a densa camada ativa da membrana. As moléculas de água atravessam essa camada com muito mais facilidade do que a maioria dos iões dissolvidos.
É por isso que a tecnologia das membranas de osmose inversa consegue atingir uma rejeição de sais muito elevada, apesar de a osmose inversa não dever ser entendida simplesmente como uma peneiração mecânica de partículas.
Um elemento de osmose inversa para água do mar e um elemento para água salobra podem parecer semelhantes do lado de fora.
Ambos podem utilizar os formatos físicos padrão 4040 ou 8040.
Mas o tamanho não indica a pressão necessária, a rejeição de sal, as características químicas da membrana nem a aplicação.
Essa distinção é importante.
A informação atual sobre os produtos de osmose inversa (RO) da Banott indica que os códigos 4040 e 8040 descrevem formatos físicos padrão, enquanto o caudal real e o desempenho de rejeição devem ser avaliados com base no tipo de membrana e nas respetivas condições de ensaio.
| Fator | Osmose inversa em água salobra | Osmose inversa de água do mar |
|---|---|---|
| Salinidade da ração | Mais baixo | Muito mais elevado |
| Pressão osmótica | Mais baixo | Mais alto |
| Pressão necessária | Mais baixo | Mais alto |
| Seleção da membrana | Específico da BWRO | Específico da SWRO |
| Aplicação principal | Água de poço/água de processo | Desalinização da água do mar |
| Procura de energia | Mais baixo | Mais alto |
| A importância do pré-tratamento | Elevado | Muito elevado |
A título de comparação, a DuPont publica dados de ensaios com membranas para água salobra a cerca de 2 000 ppm de NaCl e 15,5 bar, enquanto vários elementos SWRO comerciais de pequena dimensão são testados a aproximadamente 32 000 ppm de NaCl e 55 bar. Trata-se de condições de ensaio normalizadas, e não de valores universais de funcionamento das instalações.
Isto ilustra por que razão uma membrana de osmose inversa (RO) padrão para água salobra não deve ser automaticamente utilizada num projeto de água do mar com elevado teor de sal.
O processo de dessalinização é muito mais do que a própria membrana.
Um sistema fiável inclui normalmente:
Captação de água do mar
↓
Filtragem preliminar
↓
Pré-tratamento
↓
Filtração por cartucho
↓
Bomba de alta pressão
↓
Sistema de membranas SWRO
↓
Recuperação de energia
↓
Permeado
↓
Pós-tratamento
↓
Água doceO Departamento de Energia dos EUA identifica a captação, o pré-tratamento, a osmose inversa, a recuperação de energia e o pós-tratamento como as principais operações unitárias nos modernos sistemas de dessalinização da água do mar. As tecnologias de pré-tratamento podem incluir filtros de rede, filtros de meio filtrante, microfiltração, ultrafiltração, coagulação e filtração por cartucho.
O permeado da osmose inversa (RO) apresenta um baixo teor de minerais dissolvidos.
Dependendo da aplicação final, a água produzida poderá exigir:
Se o objetivo for a água potável municipal, a estabilização e a desinfeção assumem especial importância.
Se o objetivo for a água de processo industrial, poderá ser necessário recorrer a processos adicionais de osmose inversa (RO), desionização eletrónica (EDI) ou tratamento de aperfeiçoamento.
Assim, o objetivo final em termos de qualidade da água deve determinar todo o processo de tratamento.
A água do mar contém muito mais do que só sal.
Pode também conter:
Se estes materiais atingirem a superfície da membrana sem um controlo adequado, a instalação pode sofrer uma maior queda de pressão, uma redução do fluxo, um aumento da passagem de sais e limpezas mais frequentes.
A isto chama-se obstrução da membrana.
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Dependendo da qualidade da água do mar, o pré-tratamento pode incluir:
Para águas costeiras difíceis, UF de fibra oca pode constituir uma barreira física eficaz a montante da unidade de osmose inversa.
Isto pode melhorar a estabilidade da alimentação e ajudar a proteger o sistema de membranas a jusante.
Do ponto de vista da engenharia, a conceção do pré-tratamento deve basear-se nas condições locais da fonte, em vez de ser copiada de outro projeto de dessalinização.
Uma captação em poço de praia, em águas calmas, pode apresentar um comportamento muito diferente de uma captação em mar aberto, exposta a algas, tempestades, turbidez sazonal e carga biológica.
Três dos parâmetros mais importantes num projeto de osmose inversa são:
Mas nenhum deles deve ser considerado isoladamente.
A rejeição de sal descreve a eficácia com que a membrana limita a passagem do sal.
As membranas SWRO comerciais podem atingir taxas de rejeição muito elevadas em condições laboratoriais específicas. Por exemplo, os dados publicados pela DuPont relativos a pequenos elementos SWRO revelam valores estabilizados de rejeição de sais de aproximadamente 99,4% a 99,7% sob condições definidas de concentração da água de alimentação, temperatura, pressão e recuperação.
Isso não significa que todas as membranas em todas as estações de dessalinização de água do mar produzam sempre exatamente esse resultado.
A qualidade da água do produto varia em função de:
O fluxo de água descreve a quantidade de permeado produzida por unidade de área da membrana.
Um fluxo mais elevado pode reduzir a área total de membrana necessária.
No entanto, aumentar demasiado o fluxo pode aumentar o risco de incrustação e reduzir a estabilidade a longo prazo.
O objetivo não é simplesmente obter a produção máxima por elemento de membrana.
Trata-se de uma produção estável ao longo da vida útil prevista.
A água do mar tem uma pressão osmótica muito superior à da maioria das águas salobras.
Por conseguinte, o SWRO necessita de uma bomba de alta pressão.
As condições de ensaio com água do mar publicadas pela DuPont utilizam normalmente cerca de 55 bar para ensaios padrão com 32 000 ppm de NaCl, enquanto alguns elementos de água do mar são concebidos para pressões máximas de alimentação que podem atingir os 83 bar. A pressão de projeto efetiva depende da salinidade, da temperatura, da recuperação, da seleção do elemento e da qualidade pretendida do permeado.
A pressão representa uma das maiores necessidades energéticas no processo de dessalinização por osmose inversa.
No entanto, o concentrado que sai do conjunto de membranas ainda contém uma pressão hidráulica significativa.
Deixar essa pressão escapar é um desperdício de energia.
Um dispositivo de recuperação de energia capta parte dessa pressão e transfere-a de volta para o fluxo de água do mar que entra.
O Departamento de Energia dos EUA descreve a recuperação de energia como a reciclagem da energia proveniente da salmoura a alta pressão, com o objetivo de ajudar a aumentar a pressão da água do mar antes da osmose inversa (RO).
Uma disposição simplificada tem o seguinte aspeto:
Bomba de alta pressão
↓
Membranas SWRO
↙ ↘
Permeado e salmoura de alta pressão
↓
Recuperação de energia
↓
Água do mar de entradaA tecnologia moderna de permutadores de pressão permite transferir pressão de forma muito eficiente, razão pela qual a recuperação de energia se tornou um elemento central em muitos projetos de grandes instalações de dessalinização por osmose inversa.
No caso dos projetos EPC, a decisão de incluir um dispositivo de recuperação de energia depende de:
No caso de pequenos equipamentos de dessalinização de água do mar, os aspetos económicos e a disposição do equipamento podem levar a um projeto diferente do de uma estação municipal.
Mesmo uma membrana de osmose inversa de alta qualidade terá um desempenho insatisfatório se as condições de funcionamento não forem as adequadas.
Existem vários mecanismos principais de incrustação.
Os sólidos finos acumulam-se na superfície da membrana.
Um melhor desenho do sistema de admissão, a clarificação, a ultrafiltração (UF) e a filtração por cartuchos podem reduzir este risco.
Os microrganismos fixam-se nas superfícies molhadas e formam biofilmes.
Isto pode aumentar a pressão diferencial e reduzir o desempenho da membrana.
Os compostos orgânicos naturais podem acumular-se na membrana e alterar o fluxo.
À medida que a água passa pela membrana, os sais dissolvidos ficam mais concentrados na salmoura.
Se os sais pouco solúveis excederem os seus limites de solubilidade, pode formar-se incrustação mineral.
Uma maior recuperação de água permite obter mais água doce a partir de um determinado volume de alimentação.
Isso parece-me interessante.
No entanto, uma maior recuperação também concentra os sais de forma mais acentuada na corrente de rejeitos e pode aumentar o risco de formação de incrustações.
A melhor recuperação não é, portanto, sempre o valor mais elevado possível.
É a recuperação que equilibra:
A seleção da membrana deve começar com os dados do projeto, e não com o número de modelo do catálogo.
Antes de escolher as membranas para a dessalinização da água do mar, um empreiteiro EPC deve confirmar:
A membrana passa então a fazer parte do sistema global de dessalinização.
Alguns projetos dão prioridade à máxima qualidade do permeado.
Outros dão prioridade a um menor consumo de energia.
Uma membrana de água do mar de menor consumo energético pode funcionar a pressão reduzida, mas os engenheiros ainda precisam de verificar se a qualidade do permeado cumpre os requisitos do projeto.
Da mesma forma, uma membrana de elevada rejeição pode revelar-se útil quando são exigidas especificações mais rigorosas para a água produzida.
A decisão correta depende do desempenho global da instalação — e não de um único valor indicado na ficha técnica.
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O mesmo princípio básico de dessalinização por membranas pode ser aplicado a capacidades muito diferentes.
Os sistemas de pequena dimensão podem ser utilizados para:
Os elementos de membrana compactos de 4 polegadas podem revelar-se práticos em situações em que o caudal é moderado e o espaço disponível para o equipamento é limitado.
A DuPont, por exemplo, disponibiliza elementos SWRO de 4 polegadas para sistemas de dessalinização marítimos e de menor dimensão.
Uma instalação de dessalinização de água do mar em grande escala pode conter centenas ou milhares de elementos de membrana de 8 polegadas instalados em recipientes sob pressão em paralelo.
O desafio de engenharia alarga-se para incluir:
Nestes projetos, o preço da membrana é apenas uma parte do custo do ciclo de vida.
A energia, a limpeza, a frequência de substituição, a eficiência da bomba e o tempo de inatividade são, muitas vezes, mais importantes.
As membranas sofrem alterações graduais durante o funcionamento.
A questão importante é saber se a alteração se deve a incrustações reversíveis, formação de calcário, danos na membrana ou envelhecimento normal.
Os operadores devem monitorizar os seguintes parâmetros normalizados:
Um aumento da queda de pressão pode indicar a presença de incrustações.
O aumento da passagem de sal pode indicar danos na membrana, envelhecimento, má vedação ou outros problemas de funcionamento.
A DuPont salienta que condições de funcionamento extremas podem reduzir o caudal de permeado, aumentar a passagem de sais e danificar os componentes do elemento.
A limpeza química pode restabelecer o desempenho quando os depósitos são reversíveis.
Os produtos químicos de limpeza dependem do tipo de resíduo.
Os operadores não devem limpar repetidamente as membranas sem identificar a causa. A limpeza frequente pode indicar um pré-tratamento inadequado ou uma janela de funcionamento inadequada.
A substituição da membrana torna-se necessária quando não é possível restabelecer, de forma económica, um caudal e uma rejeição aceitáveis.
O planeamento da substituição deve ter em conta:
Uma membrana de osmose inversa (RO) para água do mar deve ser substituída com base no seu desempenho, e não simplesmente porque chegou uma determinada data do calendário.
Muitas regiões costeiras dispõem de água do mar em abundância, mas de água doce convencional em quantidade limitada.
A dessalinização cria uma outra fonte potencial de abastecimento de água, separando o sal dissolvido da água do mar.
O USGS salienta que a dessalinização é cada vez mais utilizada em locais onde a água doce é escassa e pode fornecer água não só para uso municipal, mas também para a agricultura, caldeiras, produtos farmacêuticos, produção de semicondutores e outras aplicações industriais.
Isto não significa que a dessalinização da água do mar não apresente desafios ambientais ou económicos.
Os projetos devem ter em conta:
No entanto, os avanços contínuos na tecnologia de membranas, nas bombas, na automatização, no controlo da incrustação e na recuperação de energia estão a tornar a SWRO mais eficiente.
Em muitos projetos costeiros, pode tornar-se uma parte importante de uma estratégia hídrica diversificada.
No caso de um projeto que envolva água do mar ou de elevada salinidade, não basta fornecer apenas uma membrana de osmose inversa.
O projeto global deve ter em conta a análise da água em bruto, o pré-tratamento, a produção necessária, a configuração das membranas, os recipientes sob pressão, as bombas de alta pressão, a dosagem de produtos químicos, a limpeza CIP, a instrumentação e os controlos automáticos.
Atualmente, a Banott fornece membranas de osmose inversa (RO) para aplicações industriais nos formatos padrão 4040 e 8040 e presta apoio de engenharia na configuração das membranas e na integração completa de sistemas de RO. Os valores exatos de desempenho devem ser confirmados com base na ficha técnica específica da membrana e nas condições de ensaio definidas na mesma, antes de se definir um projeto de tratamento de água do mar.
Enquanto fornecedor especializado em engenharia de membranas de UF, membranas de RO e módulos de EDI, instalações de água pura, e sistemas integrados de tratamento de água, a nossa abordagem consiste em avaliar o projeto na sua totalidade.
Isso pode incluir:
Para os empreiteiros EPC e os integradores de sistemas, isto reduz o risco de incompatibilidade entre os diferentes conjuntos de equipamentos.
A maioria das instalações modernas de tratamento de água do mar baseadas em membranas utiliza membranas especializadas de osmose inversa para água do mar, geralmente baseadas na tecnologia de poliamida composta de película fina. Estas membranas foram concebidas para suportar elevadas concentrações de sal e funcionar sob alta pressão.
Não se deve partir do princípio de que isso é possível.
A água do mar apresenta uma salinidade e uma pressão osmótica muito superiores às da água salobra. A escolha da membrana deve basear-se na salinidade da água de alimentação, na pressão de projeto, nos requisitos de rejeição e nas especificações do fabricante.
Os elementos SWRO comerciais podem atingir uma rejeição de sais superior a 99% em condições de ensaio definidas. Alguns dados publicados sobre elementos comerciais indicam uma rejeição estabilizada em torno de 99,4–99,7%. O desempenho real da instalação depende das condições da água de alimentação, da recuperação, da temperatura, da pressão, da incrustação e da idade da membrana.
A água do mar apresenta uma elevada pressão osmótica devido à sua elevada concentração de sais dissolvidos. A pressão aplicada deve exceder essa força osmótica e proporcionar pressão motriz suficiente para fazer passar a água através da membrana.
A salmoura que sai da membrana ainda se encontra sob elevada pressão hidráulica. O equipamento de recuperação de energia capta grande parte dessa pressão e transfere-a para a água do mar que entra, reduzindo a quantidade de energia de bombagem adicional necessária.
Não existe uma vida útil fixa para todas as aplicações. A vida útil da membrana depende do pré-tratamento, da qualidade da água do mar, da pressão de funcionamento, da incrustação, da formação de calcário, das práticas de limpeza, da taxa de recuperação e dos requisitos relativos à água produzida. Os operadores devem utilizar tendências de desempenho normalizadas para planear a limpeza e a substituição.
Uma membrana de dessalinização da água do mar constitui a principal barreira de separação numa instalação de osmose inversa (SWRO), mas o sucesso da dessalinização depende de muito mais do que a escolha de um elemento com elevada taxa de rejeição.
O sistema deve proteger a membrana.
O pré-tratamento controla as partículas e a carga biológica.
A bomba de alta pressão fornece a força motriz.
A membrana de osmose inversa separa a água do sal dissolvido.
A recuperação de energia reduz o desperdício de energia hidráulica.
O pós-tratamento prepara o permeado para a sua utilização final.
Além disso, a monitorização mantém o desempenho estável ao longo do tempo.
Para empreiteiros de EPC, projetos municipais de abastecimento de água, utilizadores industriais, empreendimentos insulares, projetos marítimos e integradores de sistemas, a melhor membrana é, portanto, aquela que se adapta ao projeto completo do processo.
Na qualidade de fabricante e prestador de serviços de tratamento de água com enfoque na engenharia, podemos prestar apoio na seleção de membranas e na conceção de sistemas integrados de osmose inversa (RO), tendo em conta a salinidade da água de alimentação, a capacidade necessária, a qualidade pretendida da água produzida, as condições de instalação, as necessidades de automatização e os requisitos de execução do projeto.
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