roberta del colle desemulsificação de emulsões estáveis de água e
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ROBERTA DEL COLLE
DESEMULSIFICAO DE EMULSES ESTVEIS DE
GUA E LEO DE GIRASSOL POR PROCESSO DE
FILTRAO TANGENCIAL
Dissertao apresentada Escola de
Engenharia de So Carlos da
Universidade de So Paulo, como
parte dos requisitos para a obteno do
ttulo de Mestre em Engenharia
Mecnica.
Orientador: Prof. Dr. Srgio Rodrigues Fontes
So Carlos
2005
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Aos meus pais, Sebastio Roberto Del Colle e Vera
Lcia Del Colle, dedico o meu trabalho, por terem me dado todo o
apoio e incentivo que precisei para conseguir alcanar mais esse
objetivo. Agradeo a eles por tudo que me proporcionaram, por
terem participado e contribudo para o meu crescimento; tanto
como pessoa como profissional. Tambm ao meu irmo, Vincius e
minha cunhada, Lgia, pela ajuda e dedicao.
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AGRADECIMENTOS
Durante a trajetria para a realizao deste trabalho, pude contar com a
colaborao e ateno de vrias pessoas que por fim, merecem meus agradecimentos.
Agradeo primeiramente a Jeov, por ter me dado sade e fora, para perseverar
diante dos obstculos que enfrentei e poder concluir mais essa meta em minha vida.
Tambm ao Prof. Dr. Srgio R. Fontes, pela orientao, ateno, pacincia e
generosidade que demonstrou durante todo o tempo, para que esse trabalho pudesse ser
concludo.
Ao Prof. Dr. lson Longo, pesquisador do Laboratrio Interdisciplinar de
Eletroqumica e Cermica (LIEC) da Universidade Federal de So Carlos, pela
colaborao e sugestes dadas durante a pesquisa e por disponibilizar reagentes e
equipamentos necessrios para o desenvolvimento do trabalho. Aos meus colegas Mrio
Godinho Jnior e Lus Presley S. Santos do LIEC, pela ajuda e ateno dadas durante
todo o trabalho.
Aos tcnicos do Laboratrio de Termodinmica e fluidos: Hlio, Luchesi,
Donizeti, Jorge e Roberto pela ajuda na montagem e manuteno dos equipamentos
usados para a realizao dos experimentos.
Ao Prof. Lus Daniel, chefe do departamento de Engenharia Hidrulica e
Saneamento, por disponibilizar o uso do equipamento para anlise de TOC. Ao
Engenheiro Lus Fernando Porto, Diretor da Cetebra Ltda So Carlos-SP, pela
confeco e doao dos tubos cermicos utilizados na pesquisa.
Ao Instituto de Fsica de So Carlos, por colocar disposio os aparelhos
usados para anlise dos tubos cermicos. CNPq e FAPESP pelo suporte financeiro
desta pesquisa.
Aos meus colegas de trabalho do NETef , especialmente Renata, Grazieli,
Juliana e Ernesto pela amizade e companheirismo.
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RESUMO
DEL COLLE, R. (2005). Desemulsificao de emulses estveis de gua e leo de
girassol por processo de filtrao tangencial. Dissertao (mestrado) Escola de
Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So Carlos, 2005.
O processo estudado utilizou tubos cermicos porosos fabricados predominantemente
com alumina e produzidos pela tcnica da colagem de barbotina e sinterizados a
temperaturas prximas a 1450C, para seleo de uma temperatura. O meio micro
poroso foi caracterizado pela tcnica de porosimetria por intruso de mercrio,
apresentando tamanho mdio de poro de 0,5 m. Os tubos foram submetidos
impregnao com soluo de citrato de zircnio (precursor) por capilaridade.
Posteriormente, os tubos foram calcinados e tratados termicamente at 600 e 900C,
com o objetivo de eliminar componentes orgnicos volteis e transformar o precursor no
xido metlico. A impregnao foi realizada em diferentes propores e os tubos
microporosos foram testados na bancada de micro-filtrao, onde foram variados
parmetros fluidodinmicos do processo (Reynolds e presso transmembrana) e
analisada as propriedades fsico-qumicas do volume de permeado, atravs de medidas
da Concentrao de Carbono Orgnico Total (TOC), condutividade eltrica, pH e a
caracterizao da mistura (concentrado) atravs de microscopia ptica. O meio micro
poroso impregnado foi caracterizado por microscopia eletrnica de varredura (MEV),
para analisar a morfologia do material impregnado e sua composio qualitativa. Os
resultados do fluxo de permeado foram analisados e observou-se que os melhores
resultados quanto ao fluxo transmembrana foram obtidos para o tubo impregnado a
900C. O tubo impregnado a 600C apresentou melhor desempenho relativo
desemulsificao, por apresentar menores valores de TOC. Em relao ao processo de
transferncia de massa, o tubo impregnado 900C obteve maiores valores de Sherwood,
portanto a temperatura aps impregnao influenciou no transporte de massa durante o
processo de separao. A reteno da fase leo analisada atravs de medidas de TOC foi
de at 99%.
Palavras-chave: Micro filtrao; emulses; tubos porosos; zircnia; transferncia de
massa.
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ABSTRACT
DEL COLLE, R. (2005). Demulsifying of stable emulsions of water and sunflower oil
by cross-flow filtration process. M.Sc. Dissertation School of Engineering of So
Carlos, University of So Paulo, So Carlos, 2005.
The studied process used porous ceramic tubes manufactured predominantly with
alumina and produced by the technique of the collage with barbotina and sintered to
close temperatures for 1450C, for selection of a temperature. The microporous
enviroment was characterized by mercury porosimetry, presenting medium size of pore
of 0,5 m. The tubes were submitted to the impregnation with solution of citrate of
zirconium (precursory) by capillarity. Later on, the tubes were burned and thermally
treated up to 600 and 900C, with the objective of to eliminate volatile organic
components and to transform the precursory in the metallic oxide. The impregnation
was accomplished in different proportions and the microporous tubes were tested in
apparatus of microfiltration process, where were varied fluid dynamics parameters of
the process (Reynolds and transmembrane pressure) and analyzed the physical-chemical
properties of the volume of permeated, through measures of the Concentration of Total
Organic Carbon (TOC), electric conductivity, pH and the characterization of the
mixture (concentrated) through optical microscopy. The enviroment impregnated
microporous was characterized by Scanning Eletronic Microscopy (SEM), to analyze
the morphology of the impregnated material and its qualitative composition. The results
of the flow of having permeated were analyzed and it was observed that the best results
with relationship to the transmembrane flux were obtained for the tube impregnated for
900C. The tube impregnated for 600C presented better relative acting to the
demulsifying, for presenting smaller values of TOC. In relation to the process of mass
transfer, the impregnated tube 900C obtained larger values of Sherwood, therefore the
temperature after impregnation influenced in the mass transport during the separation
process. The retention of the phase oil analyzed through measures of TOC was of up to
99%.
Keywords: Microfiltration, emulsions, porous tubes, zircnia, mass transfer.
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NOMENCLATURA
Cb concentrao do meio fluido (ppm)
C0 concentrao do meio fluido na entrada do tubo (ppm)
d dimetro interno do tubo cermico (m)
D coeficiente de difusividade (m2/s)
J fluxo transmembrana (m/s ou l/h m2)
k coeficiente global de transferncia de massa (m/s)
L comprimento do mdulo tubular (m)
Ptm presso transmembrana (N/m2 ou bar)
Q vazo (m3/s)
R raio interno do tubo cermico (m)
Re adimensional de Reynolds: Re = .V.d/
Sc adimensional de Schmidt: Sc = /.D
Sh......adimensional de Sherwood: Sh = kd/D
t tempo (min)
u velocidade mdia (m/s)
Letras gregas
viscosidade (N s/m2 ou centipoise)
densidade (kg/m3)
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. (a) Camada polarizada na superfcie da membrana. (b) Princpio da micro
filtrao tangencial (Ripperger e Altman,2002). ...........................................20
Figura 2. Representao esquemtica da reverso de fluxo (Sondhi et al, 2003)..........30
Figura 3. Mudanas durante o estgio inicial de sinterizao. (a) incio, (b) rearranjo,
(c) formao do pescoo. (Richerson,1992) ..................................................31
Figura 4. Mudanas ocorridas no segundo estgio. (a) crescimento do pescoo e
retrao no volume, (b) crescimento do pescoo e aumento do comprimento
do contorno de gro, (c) crescimento de gro. (Richerson,1992) ..................31
Figura 5. Mudanas no estgio final de sinterizao. (a) crescimento de gros e
descontinuidade da fase dos poros, (b) crescimento de gro e reduo da
porosidade, (c) crescimento de gro com eliminao da porosidade.
(Richerson,1992)............................................................................................32
Figura 6. Princpio da rejeio da gotcula de leo por presso capilar na superfcie da
membrana adaptada de:TING e WU, 1999....................................................39
Figura 7. Reao qumica para produo do citrato metlico........................................45
Figura 8. Bancada experimental. (1) - tanque de armazenagem da mistura; (2) - bomba
de escoamento; (3) - rotmetro; (4) - mdulo com membrana; (5) - sistema de
controle de acelerao da bomba e controle de temperatura; (6) - tanque de
armazenagem de gua fria ou quente. ............................................................49
Figura 9. Anlise de porosimetia por intruso de mercrio dos tubos cermicos
sinterizados a diferentes temperaturas. ..........................................................54
Figura 10. Fluxo trans-membrana em funo do tempo, para os tubos impregnados
queimados at 600C e tubo sem impregnao. Reynolds: Re ~ 20000 (a); Re
~ 16000 (b); Re ~ 12000 (c). ..........................................................................57
Figura 11. Fluxo trans-membrana em funo do tempo para tubo impregnado uma vez
a 900C (a); tubo impregnado com soluo (2,07%) a 600 e 900C (b). ......58
Figura 12. Fluxo trans-membrana em funo do tempo para um processo esttico: tubos
impregnados 2 vezes at 600 e 900C (a); tubos impregnados 1 vez at 600 e
900C (b)........................................................................................................59
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LISTA DE FIGURAS
Figura 13. Grfico dos valores adimensionais J/u em funo de Ptm/.u2 para
tubos com tamanho de poro de 0,5 m, impregnados uma e duas vezes,
queimados at 600C e tubo sem impregnao para: Reynolds de 20335 a
22600 (a); Reynolds de 15609 a 16970 (b); Reynolds de 12602 a 13318 (c).
........................................................................................................................61
Figura 14. Grfico entre os parmetros adimensionais J/u em funo de Ptm/.u2
para tubos cermicos com tamanho de poro de 0,5 m, impregnados em
concentraes diferentes, queimados at 600C e 900C e tubo sem
impregnao para: Reynolds de 20335 a 22600 (a); Reynolds de 15609 a
16970 (b); Reynolds de 12602 a 13318 (c)....................................................62
Figura 15. Resultados adimensionais do processo dinmico. Tubo cermico com
tamanho de poro de 0,5 m, impregnado com soluo mais concentrada, com
temperatura de calcinao at 600C e 900C. ..............................................63
Figura 16. Tubos cermicos com tamanho de poro de 0,5 m, impregnados em
concentraes diferentes com temperatura de calcinao at 600C e 900C.
Parmetros adimensionais em processo estacionrio.....................................64
Figura 17. Tubo impregnado uma vez a 600C. Para Re = 22600, 16970, 13318.
Valores de Sherwood para: (a) t = 0 a t = 15 min; (b) t = 15 a t = 30 min; (c) t
= 30 a t = 45 min. Comparao do adimensional de Sherwood (Sh) com a
correlao de Deissler (ZEMAN e ZYDNEY, 1996). ...................................68
Figura 18. Tubo impregnado duas vez a 600C. Para Re = 20335, 16397, 13103.
Valores de Sherwood para: (a) t = 0 a t = 15 min; (b) t = 15 a t = 30 min.
Adimensional de Sherwood. ..........................................................................69
Figura 19. Tubo impregnado uma vez a 900C. Para Re = 20431, 16119, 12655.
Valores de Sherwood para: (a) t = 0 a t = 15 min; (b) t = 15 a t = 30 min; (c) t
= 30 a t = 45 min. Adimensional de Sherwood..............................................70
Figura 20. Tubo no impregnado. Para Re = 22483, 15609, 12602. Valores de
Sherwood para: (a) t = 0 a t = 15 min; (b) t = 15 a t = 30 min; (c) t = 30 a t =
45 min. Adimensional de Sherwood. .............................................................71
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21. Anlise do permeado. TOC (mg/l) em funo da presso trans-membrana
(bar) para Reynolds: prximo de 20000 (a); prximo de 16000 (b); prximo
de 12000 (c). ..................................................................................................74
Figura 22. Anlise do permeado. TOC (mg/l) em funo da presso trans-membrana
(bar) para processo esttico (a); dinmico (b)................................................76
Figura 23. Fluxo trans-membrana nas presses trans-membrana: 2, 3, 4 e 5 bar para
Reynolds prximo de 20000. .........................................................................77
Figura 24. Valores de pH em funo do tempo do processo, em diferentes Reynolds e
presses trans-membrana (2, 3, 4 e 5 bar). Para tubo impregnado 1 vez a
600C (a); tubo impregnado 2 vezes a 600C (b); tubo sem impregnao (c).
........................................................................................................................78
Figura 25. Condutividade eltrica em funo do tempo do processo em diferentes
presses trans-membrana (2, 3, 4 e 5 bar) e para Reynolds acima de 20000
(a); acima de 16000 (b); acima de 12000 (c). Processo dinmico. ................80
Figura 26. Anlise morfolgica do material cermico tubular impregnado: tubo
impregnado 1 vez (a) e respectivo mapeamento (b); tubo impregnado 2 vezes
(c) e respectivo mapeamento (d). ...................................................................82
Figura 27. Anlise morfolgica do material cermico tubular impregnado. (a) tubo
impregnado 1 vez a 900C e respectivo mapeamento (b)..............................83
Figura 28. Representao de uma partcula e um aglomerado de partculas que podem
se formar na estrutura micro porosa tubular. .................................................84
Figura 29. Espectros dos raios-x realizados atravs do microscpio eletrnico de
varredura. (a) espectro respectivo fig. 4.17 (a); (b) espectro respectivo fig.
4.17 (b) no ponto 1; (c) espectro respectivo fig. 4.17 (b) no ponto 2..........85
Figura 30. Difratogramas de raios-X para amostras de zircnia provenientes da soluo
precursora calcinada e tratada termicamente em temperaturas de 600 e
900C. ............................................................................................................86
Figura 31. Imagens da emulso (concentrado) tiradas atravs de microscpio ptico
com aumento de 150x (a) e 75x (b). ..............................................................87
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LISTA DE FIGURAS
Figura 32. Distribuio do tamanho das gotculas de leo presentes na mistura
gua/leo (1%). ..............................................................................................88
Figura 33. Imagens captadas com cmera CCD para medio do ngulo de contato,
entre o lquido e o material impregnado: gua e tubo impregnado 1 vez a
600C (a); leo e tubo impregnado 1 vez a 600C (b); emulso e tubo
impregnado 1 vez a 600C (c)........................................................................89
Figura 34. Imagens captadas com cmera CCD para medio do ngulo de contato,
entre o lquido e o material impregnado: gua e tubo impregnado 1 vez a
900C (a); leo e tubo impregnado 1 vez a 900C (b); emulso e tubo
impregnado 1 vez a 900C (c)........................................................................90
Figura 35. Imagens captadas com cmera CCD para medio do ngulo de contato,
entre o lquido e o material no impregnado: gua e tubo no impregnado (a);
leo e tubo no impregnado (b); emulso e tubo impregnado (c)..................91
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SUMRIO
1. INTRODUO......................................................................................................... 13
1.1. Introduo e Justificativa..................................................................................... 13
1.2. Objetivos ............................................................................................................. 17
2. REVISO BIBLIOGRFICA................................................................................. 18
2.1. Microfiltrao Tangencial ................................................................................... 18
2.2. Membranas Inorgnicas ...................................................................................... 25
2.2.1. Processamento Cermico ............................................................................ 30
2.3. Misturas Emulsivas ............................................................................................. 33
2.3.1. Macro e Micro Emulses Teoria e Aplicao .......................................... 33
2.3.2. Aspectos Fsico-Qumicos de uma Emulso e sua Interao com
Membranas ............................................................................................................37
2.3.3. Tratamento de Resduos Industriais ............................................................ 40
3. METODOLOGIA ..................................................................................................... 44
3.1. Preparao do Meio Micro Poroso...................................................................... 44
3.1.1. Sinterizao do material cermico tubular ................................................. 44
3.1.2. Obteno do precursor da zircnia (soluo de citrato de zircnio) ......... 44
3.1.3. Anlise Gravimtrica................................................................................... 45
3.1.4. Impregnao................................................................................................ 47
3.2. Ensaios e Equipamento Experimental................................................................. 47
3.3. Anlise Fsico-Qumica do Permeado................................................................. 50
3.4. Caracterizao da Mistura ................................................................................... 51
4. RESULTADOS E DISCUSSO.............................................................................. 52
4.1. Caracterizao do Meio Microporoso ................................................................. 52
4.2. Anlise dos Resultados do Processo de Micro Filtrao..................................... 55
4.3. Caracterizao da Micro Estrutura Cermica Impregnada.................................. 80
4.4. Caracterizao da Mistura e sua Interao com o Meio Filtrante ....................... 86
5. CONCLUSES E PLANOS FUTUROS ................................................................ 92
6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................................... 95
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Introduo 13
1. INTRODUO
1.1. Introduo e Justificativa
Atualmente grande o nmero de pesquisas sobre os processos de micro e
ultrafiltrao. Este processo atuante em vrias reas da engenharia possui grande
potencial para remoo de componentes em misturas slido-lquido, lquido-lquido e
gs-slido. O processo tambm chamado filtrao tangencial requer a circulao do
fluido por uma superfcie permevel confinada (membrana seletiva) sendo a mistura
sujeita a diferenas de presses trans-membrana entre 1 e 8 bar.
Esta espcie de filtrao classificada de acordo com o tamanho das partculas a
serem separadas, tratando-se de uma separao de natureza fsica, sem a necessidade de
uso de substncias qumicas, que podem poluir o meio ambiente. A tecnologia com
membrana vantajosa quando comparada ao processo convencional de extrao de
gua, em que necessria a mudana de estado do solvente durante o processo.
Evaporao e congelamento so tcnicas comuns de extrao de gua de produtos
lquidos. O processo com membrana torna-se mais vivel economicamente, pois no
necessita da mudana de estado para ocorrer separao.
A maior vantagem deste tipo de filtrao a boa adaptao a materiais sensveis
a temperatura e ausncia de compostos qumicos como os processos de destilao e
precipitao. A filtrao por membrana oferece simplicidade e baixo custo de operao
em comparao com a separao por centrifugao, filtrao a vcuo e secagem por
vaporizao (spray drying). A microfiltrao tambm utilizada na produo de sucos e
accares em seu processo de concentrao, sendo economicamente vantajosa por
consumir menor energia em relao ao equipamento tradicional de evaporao
(QUEIROZ, 2004).
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Introduo 14
Neste tipo de processo, no necessrio equipamentos de manuteno
complexos que envolvem transferncia de calor, mas apenas a operao da membrana
que requer energia eltrica para funcionamento da bomba hidrulica e, podendo estar
situada longe da planta de gerao de energia primria. No necessrio condensadores,
evitando problemas como poluio trmica e sobrecarga do sistema de tratamento de
efluentes.
O processo de filtrao tangencial apresenta vantagens significativas como: i) a
mesma tecnologia pode ser aplicada em diversos setores da indstria; ii) a preciso na
seletividade da membrana alta, e a qualidade do permeado tem pouca variao; iii) a
tcnica minimiza o uso de agentes qumicos; iv) concentrados de macromolculas e
leos so alcanados acima de 70%; v) a instalao compacta e requer menor
consumo de energia do que processos trmicos; vi) a planta pode ser automatizada
requerendo baixa manuteno.
O conhecimento do processo de separao gua-leo de grande importncia na
indstria petroqumica, qumica e de alimentos, especialmente na soluo de problemas
relativos proteo do ambiente aqutico. Desta forma, a tecnologia com membranas
tem sido intensamente investigada como tcnica alternativa para a separao de
emulses estveis de hidrocarbonetos (SRIJAROONRAT, JULIEN e AURELLE,
1999), contribuindo no processo de remoo de leos em misturas com gua (XU et al,
1999).
A literatura apresenta muitas investigaes a respeito do tratamento de emulses
utilizando a filtrao tangencial (LOPEZ et al, 19995 e NAZZAL e WIESNER, 1996).
Koltuniewicz e Field (1996) estudaram experimentalmente a separao de leo de guas
atravs do uso de membranas. Variando parmetros que influenciam diretamente o
processo, tais como, presso trans-membrana, regime de escoamento, concentrao de
leo e temperatura. Foram comparados os desempenhos de membranas polimricas e
cermicas, atravs da anlise das curvas de fluxo trans-membrana com o tempo. As
membranas cermicas demonstraram melhor desempenho, com pouca queda do fluxo
trans-membrana e inibio do efeito de polarizao.
Hyun e Kim, 1997 apresentam um estudo a respeito do desempenho de
membranas cermicas sintetizadas especialmente para o tratamento de emulses
originrias da indstria petroqumica. As membranas de alumina e zircnia foram
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Introduo 15
caracterizadas a partir do processo de separao de misturas preparadas com gua
deionizada e querosene.
Nesse estudo a distribuio do tamanho de gotas de leo foi medida utilizando
um analisador de partculas. O processo foi mantido para presses trans-membrana no
intervalo de 1 a 3 bar e velocidade mdia no tubo poroso no valor de 0,27 m/s, em
condies tpicas de microfiltrao. A eficincia de separao foi verificada atravs da
anlise qumica de carbono total no permeado. O coeficiente de rejeio alcanou 98%
usando membranas de 0,16 m (tamanho mdio dos poros), com vazes de permeado
da ordem de 250 l/h m2.
Para emulses estveis tpicas da indstria alimentcia (oliva/gua) a
ultrafiltrao tambm tem sido uma opo vantajosa, pois reduz o uso de estabilizantes
qumicos tpicos de processos convencionais (NABI et al, 2000). O uso de membranas
cermicas tambm foi satisfatrio na produo de casena (VIOTTO e RIZVI, 1998).
Venturini, Dornier e Belleville (2000) estudaram a otimizao da microfiltrao
no processo de concentrao do suco de laranja. Outras investigaes so desenvolvidas
pelo primeiro autor envolvendo a clarificao no processamento de bebidas licorosas.
Pesquisas com membranas cermicas foram inicialmente direcionadas na
preparao de membranas de alumina, estas foram amplamente aplicadas, mas
atualmente, vrios outros materiais tais como: zircnia, titnia e slica esto sendo
considerados. Dentre esses, zircnia o material mais interessante para membranas
inorgnicas. As qualidades excepcionais de membranas de zircnia so: alta resistncia
qumica que permite esterilizao a vapor e procedimentos de limpeza em ampla faixa
de pH (0-14), boa permeabilidade em gua pura e alto fluxo na separao e filtrao
devido s propriedades de superfcie especficas da membrana e alta estabilidade
trmica, que muito atrativa no caso de membranas usadas em reatores de catlise a
altas temperaturas.
Emulses gua-leo emitidas de indstrias siderrgicas so um dos maiores
poluentes do ambiente aqutico. Ultra ou microfiltrao com membranas cermicas
um dos mtodos de separao mais eficazes em comparao com mtodos de separao
tradicionais, neste caso. Alguns estudos com membranas de zircnia mostraram
vantagens no desempenho da separao quando comparadas com outras membranas, tal
como: alto fluxo, menor obstruo dos poros, alta rejeio do leo (YANG et al, 1998).
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Introduo 16
O comportamento de membranas alumina-zircnia provavelmente atribudo as
diferentes propriedades superficiais do material, tal como tenso superficial, carga de
superfcie e soro de ons em soluo aquosa.
O leo de girassol vem ganhando um crescente espao no comrcio nacional e
internacional devido excelente qualidade do leo comestvel extrado de sua semente.
A qualidade e digestibilidade dos leos comestveis so determinadas pela quantidade e
qualidade dos cidos graxos insaturados que os compem. fundamental a presena do
cido linolico em quantidades adequadas, j que o organismo humano no consegue
sintetiz-lo, o leo de girassol considerado o de melhores caractersticas nutritivas
pelo alto teor de cido linolico (cido graxo insaturado). O acmulo de cidos graxos
saturados no organismo humano est diretamente ligado ao aumento de colesterol,
responsvel por doenas cardiovasculares.
Reduzindo a quantidade de saturados em relao aos insaturados, espera-se que
haja reduo dessas doenas. Em vista disso, o leo de girassol torna-se excelente para
consumo. O leo de girassol apresenta ainda grande vantagem, pr sua capacidade de
conservao por perodos prolongados, devido ao baixssimo contedo de cido olico
(Aboissa leos Vegetais). O leo de girassol refinado tambm utilizado pela
indstria de conservas. As margarinas e os cremes vegetais so cada vez mais
consumidos. Com o aumento na produo da indstria que processa leos comestveis,
o problema da gerao residual de emulses tambm deve ser considerado. Tambm
usado na fabricao de sabes, como leo industrial e na indstria de tintas e
recentemente vem sendo usado como combustvel alternativo (biodiesel) devido as suas
inmeras vantagens ambientais, sociais e econmicas.
Sendo que o maior benefcio proporcionado por esse combustvel alternativo
ambiental, pois sua emisso de dixido de carbono 78% inferior do leo diesel.
Desse modo, haver uma contribuio para a reduo dos gases que provocam o efeito
estufa, que aumenta a temperatura da Terra.
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Introduo 17
1.2. Objetivos
O objetivo geral desta dissertao a investigao experimental do processo de
filtrao tangencial aplicado na desemulsificao de misturas estveis de gua e leo
vegetal (girassol). No processo foram utilizados como meio filtrante, tubos porosos de
alumina, sujeitos tambm ao tratamento qumico atravs da impregnao de zircnia.
Os objetivos especficos so:
Impregnao do xido metlico (zircnia) em concentraes diferentes no meio
filtrante (tubos cermicos micro porosos de alumina).
Estudar o desempenho do processo de filtrao tangencial para a desemulsificao de
emulses utilizando-se tubos micro porosos com e sem impregnao de zircnia.
Caracterizao do meio filtrante e do processo quanto aos mecanismos de
transferncia de massa, atravs da investigao com medidas de propriedades fsico-
qumicas do permeado e com variao de parmetros fluidodinmicos: nmero de
Reynolds e presso trans-membrana.
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Reviso Bibliogrfica 18
2. REVISO BIBLIOGRFICA
2.1. Microfiltrao Tangencial
Vrias tcnicas como a nanofiltrao, ultrafiltrao, microfiltrao e osmose
reversa por membrana, podem ser usadas para separao de misturas (slido/slido ou
lquido/lquido). A distino entre elas se faz pela presso a ser aplicada no processo e o
tamanho da partcula. A seletividade quanto ao tamanho das partculas a serem
separadas indica qual a melhor tcnica a ser usada. A natureza fsico-qumica da prpria
membrana controla quais componentes da mistura sero filtrados e quais sero retidos.
A microfiltrao tem sido usada desde o incio do sculo 20, com a preparao
de membranas micro porosas sintticas baseadas na celulose. Nos ltimos 30 anos o
processo de micro filtrao vem sendo utilizado em vrios processos industriais,
atualmente a sua aplicabilidade tem aumentado em vrias reas como, no tratamento de
gua para consumo humano.
Micro filtrao um processo de separao que utiliza um gradiente de presso
como fora motriz, separando partculas com tamanho de 0,06 a 10m, atravs de
membranas micro porosas. Portanto, a micro filtrao est classificada entre a
ultrafiltrao e a filtrao convencional. A separao de partculas de materiais distintos
ocorre espontaneamente em funo de seus tamanhos, independente da temperatura e da
densidade do material a se separar. Esse processo de separao se baseia no efeito
peneira molecular e macromolecular, que limitado pela superfcie da membrana.
Existem dois tipos de micro filtrao que so empregados: o mtodo perpendicular e o
tangencial.
Na micro filtrao perpendicular ou convencional, o fluxo de alimentao se
estabelece perpendicularmente superfcie da membrana, e as partculas se concentram
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Reviso Bibliogrfica 19
na superfcie e/ou nos poros da membrana, formando uma camada de filtrado slido que
com o tempo pode aumentar e consequentemente diminuir a eficincia da filtrao. Um
aumento da presso pode melhorar o processo por pouco tempo, porm, quando os
poros so obstrudos, o fluxo interrompido e a membrana tem que ser trocada,
tornando o mtodo pouco vivel economicamente. Este tipo de incrustao pode ser
controlada e reduzida com a micro filtrao tangencial (SCOTT, 1995).
Tal incrustao pode ocorrer nos dois mtodos, no entanto ocorre mais
facilmente na micro filtrao convencional, pois o fluxo chega diretamente na
membrana, assim, este mtodo recomendado para lquido pouco concentrado em
slido; diferentemente da micro filtrao tangencial utilizada para lquido contendo alta
concentrao de slidos.
A corrente de alimentao mantida sem interrupo atravs de uma membrana
no processo de micro filtrao tangencial, com velocidade e presso especficas, de
acordo com as necessidades de cada experimento. Uma velocidade de alimentao baixa
evita a rpida formao da camada de polarizao, proporcionando um controle da
incrustao do mdulo.
Na micro filtrao tangencial, o fluido pode ser filtrado mantendo-se o fluxo
paralelo superfcie da membrana e consequentemente o fluxo de permeado pela
mesma, tambm devido diferena de presso. O fluxo tangencial em intervalos
adequados ao regime de escoamento, pode reduzir a formao da camada de polarizao
no meio filtrante, possibilitando um fluxo de filtrado quase constante por muito tempo.
Quando uma corrente tangencial filtrada, ocorre-se a formao de uma camada
de polarizao na membrana (figura1.(a)), que causada pela constrio do tamanho do
poro, bloqueio do poro, ou deposio de clulas, restos de clulas ou outras partculas
da mistura, tais como macromolculas no topo da superfcie da membrana, fazendo-se
com que a vazo do permeado diminua (CZEKAJ, LPEZ e GELL, 2001).
Os processos da filtrao tangencial so principalmente determinados pela
formao desta camada de polarizao na membrana. Um melhor conhecimento da
formao da camada e da deposio de partculas na membrana poderiam resultar em
um uso mais econmico da filtrao tangencial em muitas aplicaes tcnicas
(RIPPERGER e ALTMANN, 2002).
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Reviso Bibliogrfica 20
Figura 1. (a) Camada polarizada na superfcie da membrana. (b) Princpio da micro filtrao tangencial
(Ripperger e Altman,2002).
Em micro filtrao, os colides (bactrias e suspenses macromoleculares)
podem aderir superfcie da membrana ou poros, dependendo do tamanho e da forma
do colide. A reteno das partculas junto superfcie da membrana devido ao
fenmeno da camada de polarizao. Este fenmeno manifestado devido diminuio
da vazo de permeado e alterao nas propriedades seletivas da membrana, e tem sua
origem devido s interaes fsico-qumicas da mistura com a membrana.
Partculas muitas menores que os poros da membrana podem ser depositadas
internamente, as quais podem bloque-los, e partculas muito maiores sero depositadas
na superfcie da membrana formando uma camada de resistncia conforme mostra a
figura 1.(a).
Por outro lado, outro efeito de entupimento chamado fouling provoca alterao
irreversvel devido a interaes fsicas e/ou qumicas especficas entre a membrana e os
vrios componentes presentes na mistura. A vazo de filtrado e soluto passam a ter
variaes semelhantes quelas associadas com o fenmeno de polarizao. No entanto,
a polarizao um fenmeno reversvel em nvel de camada limite podendo ser
controlada, por exemplo, com condies de operao de fluxo reverso.
Um dos maiores problemas relacionados ao entendimento do mecanismo da
formao do fouling, distingu-lo entre os efeitos de polarizao. Muitos
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Reviso Bibliogrfica 21
pesquisadores tm atribudo o rpido declnio da vazo como o comeo do processo de
polarizao.
Certos parmetros neste processo, tais como: velocidade tangencial, presso e
temperatura, podem influenciar no comportamento do fouling. De todos esses fatores
trs categorias gerais devem ser examinadas: propriedades do material da membrana,
propriedades do soluto e parmetros de operao, cada um destes podem interagir entre
si e complementar significativamente efeitos diferentes em combinao do que se esses
efeitos fossem estudados separadamente ou com modelos de sistemas.
Uma conseqncia evidente do fouling o alto custo de manuteno e limpeza
da membrana causada pelo pequeno fluxo mdio. Como resultado, dependendo da
natureza e extenso do fouling, a restaurao do fluxo pode requerer agentes potentes de
limpeza, que podem reduzir a vida til da membrana. Para membranas de acetato de
celulose que tem um limite de pH, temperatura e taxa de tolerncia de cloro, isso pode
se tornar um problema, ao contrrio de outras membranas polimricas e outras
membranas inorgnicas que podem tolerar procedimentos de limpeza agressivos.
Rejeio e rendimento podem ser afetados. Se a armazenagem de slidos na membrana
significante o bastante, ela pode agir como membrana secundria e mudar a eficincia
da separao e propriedades de transporte do sistema.
Partculas muito menores que os poros da membrana podero se depositar no
interior deles conforme a figura 1(a), conduzindo ao fechamento do poro. Partculas de
tamanho semelhante ao poro bloquearo o mesmo e partculas maiores causaro a
formao de uma camada, com a porosidade dependendo do tamanho da partcula
(QUEIROZ, 2004).
De acordo com Belfort, Davis e Zydney (1994), incrustaes coloidais ocorrem
em dois estgios: incrustaes internas e externas. A incrustao interna causada pela
adsoro ou deposio de partculas pequenas e macromolculas dentro da estrutura
interna dos poros.
Para descrever a incrustao interna dois modelos foram propostos: modelo
padro de bloqueio (Standard Blocking ModelSBM), que assume que as molculas so
adsorvidas nas paredes do poro, reduzindo seu dimetro efetivo; e o modelo de bloqueio
do poro (Pore Blocking ModelPBM), este modelo assume que as molculas ou
agregados bloqueiam completamente alguns dos poros deixando outros inalterados. Os
dois fenmenos podem ocorrer durante a filtrao. A incrustao externa descrita pelo
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Reviso Bibliogrfica 22
Modelo de filtrao de camada (Cake Filtration ModelCFM) que assume que o agente
filtrado (clula, restos de clulas e agregados) forma uma camada na superfcie da
membrana e a resistncia cresce gradualmente.
Existe uma enorme variedade de espcies inorgnicas que podem causar um
significante fouling em membranas durante a micro filtrao. Muitos destes compostos
inorgnicos esto presentes nos alimentos e nas guas de superfcie. Eles incluem
sulfato de clcio, carbonato de clcio, slica, xidos metlicos e hidrxidos
(principalmente de ferro e alumnio), colides de enxofre, e outros particulados
inorgnicos. O entupimento causado por compostos de metais e sais, geralmente ocorre
por precipitao ou floculao dentro dos poros da membrana. Em vrios processos, sais
de clcio so um dos mais importantes agentes de induo ao entupimento fouling,
como por exemplo, na indstria de processamento de queijo (ZEMAN e ZYDNEY,
1996).
No trabalho de Yang et al. (1998), um fluxo mais alto e estvel foi observado
para membrana compsita de zircnia para processo de micro filtrao, na qual houve
um fouling num grau insignificante, em comparao com trs membranas (com
diferentes porosimetrias) alumina, devido a um evidente entupimento causado pelo leo.
Pde-se concluir que a membrana zircnia com dimetro de poro de 0,2 m, foi a
membrana escolhida para tratamento de emulso gua-leo devido ao seu melhor
desempenho.
O processo de micro filtrao tangencial pode ser:
Descontnuo (ou batelada):
O produto a ser filtrado recirculado tanto quanto necessrio at se obter a
concentrao desejada de slido no tanque de alimentao ou at que o mesmo atinja os
limites de fluidez. Nesse momento diminui a eficincia da filtrao e o processo
interrompido.
Contnuo:
Parte do volume do concentrado retirado continuamente de circulao. O
volume equivalente soma do volume concentrado retirado e do volume filtrado, obtido
at aquele instante em que introduzido no tanque de alimentao.
A micro filtrao tangencial pode ser processada de dois modos: mantendo-se a
presso constante atravs do meio filtrante, com conseqente perda de vazo ou
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aumentando-se a presso para manter a vazo. Por medida de segurana o primeiro
modo usado.
Estes fenmenos hidrodinmicos podem ser quantificados por diferentes
parmetros, como, tenso de cisalhamento ou taxa de deformao na parede da
membrana, velocidade tangencial, presso trans-membrana, resistncia da membrana e
da camada de polarizao, nmero de Reynolds e efeitos de superfcie da partcula.
Dentre estes parmetros, o mais utilizado a velocidade tangencial, principalmente
quando a influncia qualitativa do fluxo tangencial no permeado estudada, mas
qualquer parmetro pode ser utilizado quando correlaes so desenvolvidas para
representar este fluxo.
Os modelos que descrevem a micro filtrao tangencial so: modelos empricos
e fsicos. Modelos fsicos so focalizados, porque consideraes empricas so teis na
prtica, mas no so muito significativas para o entendimento do processo fsico de
filtrao tangencial. A diviso dos modelos fsicos em macroscpico e microscpico
prtica, porque a aproximao macroscpica considera o sistema particulado como um
todo, j o microscpico considera o comportamento de uma nica partcula durante a
filtrao. Essas aproximaes reduzem um grande nmero de influncia de parmetros
para trs mecanismos fsicos:
hidrodinmica das partculas
difuso das partculas
interaes da partcula e efeitos de superfcie.
Na dcada de setenta, os primeiros modelos macroscpicos da filtrao
tangencial, basearam-se na difuso e concentrao de polarizao de membrana. Estes
modelos consideram os parmetros que afetam o fluxo no caso de slidos suspensos
com modelos matemticos baseados na difuso. O movimento de difusividade das
partculas causa um transporte oposto ao transporte convectivo do filtrado. No estado
estacionrio, ambos os mecanismos de transporte esto em equilbrio. A taxa de
filtrao pode ser calculada pela equao 1 (ZEMAN & ZYDNEY, 1996) da seguinte
forma:
=
=
PF
PM
PF
PMF CC
CCkCCCCD lnln
(1)
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O coeficiente de transferncia de massa k a relao do coeficiente de difuso D
e a espessura da camada limite de concentrao . A concentrao do componente a ser
separado no lquido permevel CP, determinado pelas caractersticas da membrana. O
CF a concentrao da alimentao. A concentrao na superfcie da membrana CM, a
concentrao mxima de um sistema de partcula de fluxo. Os modelos de difuso
macroscpicos so freqentemente um caso incerto de modelos semi-empricos e
empricos, porque eles no consideram s efeitos de corrente trmica e difuso
turbulenta. Este modelo inclui todos os efeitos da interao, hidrodinmica e difuso das
partculas, em um coeficiente de difuso D.
O ponto de partida de modelos microscpicos a considerao das foras agindo
numa nica partcula. Na modelagem quatro agentes diferentes esto sendo
desenvolvidos, tais agentes predizem o fluxo limite para a operao de micro filtrao.
O fluxo limite a presso independente do fluxo, obtida quando altas presses trans-
membranas so aplicadas. Depende da velocidade tangencial, temperatura, propriedades
de suspenso na alimentao e da geometria do mdulo da membrana.
Levando em considerao a influncia de foras de interao da partcula no
processo de micro filtrao tangencial, esta se torna significativa para determinar dois
efeitos:
influncia no sistema de partculas pela ao da aglomerao ou floculao;
influncia no comportamento de deposio da partcula e ressurgimento de
partculas vindas da camada.
A micro filtrao tornou-se um processo estabelecido para a separao de micro
partculas, bactrias e emulses em uma variedade de aplicaes industriais.
Freqentemente uma concentrao muito alta de uma mistura fluida pode ser alcanada,
por isso a micro filtrao tangencial normalmente utilizada em combinao com
outros processos de separao (RIPPERGER e ALTMANN, 2002). Atualmente este
modo de operao padro em vrias aplicaes nas reas mdicas e tcnicas,
conhecido tambm como filtrao dinmica. Tambm pode ser usada para a produo
de lquidos puros, para a concentrao de suspenses, recuperao de produtos e
regenerao de processos lquidos.
A micro filtrao tangencial utilizada em diferentes tipos de indstrias,
demonstrando uma extensa aplicao desta tcnica de separao em:
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Clarificao de suco de fruta, vinho, sidra e vinagre;
Separao de gordura e remoo bacteriana do leite;
Remoo do fermento de cerveja;
Clarificao de soro antes de outra etapa de filtrao por membrana, como
ultrafiltrao ou eletrodilise;
Tratamento da gua potvel sem adio de substncias qumicas (reduo da
carga microbiana);
Filtrao de caldos de fermentao;
Tratamento de guas residurias de processos metalrgicos gerados de misturas
gua/leo (QUEIROZ, 2004).
2.2. Membranas Inorgnicas
A membrana pode ser constituda por um polmero orgnico ou inorgnico,
metal, cermica, camadas qumicas ou mesmo lquidos ou gases. A aplicao de uma
fora direcionada (presso, concentrao, potencial eltrico, etc.) pressionam alguns
elementos da soluo pela membrana. A membrana controla a taxa relativa do
transporte de vrias espcies, e como toda separao, proporciona um produto com
baixas concentraes de um determinado componente e um outro produto com altas
concentraes do mesmo.
O desempenho da membrana definido em termos de dois fatores simples, fluxo
e reteno ou seletividade. Fluxo ou taxa de permeado o fluxo volumtrico de fluido
que passa atravs da membrana por unidade de rea por tempo. Seletividade uma
medida da taxa relativa de permeado de vrios componentes atravs da membrana.
Nos processos de micro filtrao e ultrafiltrao, o gradiente de presso atravs
da membrana deve conduzir o solvente e as pequenas espcies pelos seus poros,
enquanto as molculas mais largas devem ser retidas. Assim, uma vazo de alimentao
dividida em duas, a vazo do concentrado que ser enriquecido de macromolculas
retidas e a vazo do permeado que ser deficiente em macromolculas.
A estrutura dos micro poros da membrana deveria ter uma pequena distribuio
do tamanho dos poros para garantir a reteno quantitativa das partculas de um mesmo
tamanho e tipo (RIPPERGER e ALTMANN, 2002). Outra caracterstica importante a
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Reviso Bibliogrfica 26
alta permeabilidade da membrana que leva a altas taxas de filtrao com pequenas
diferenas de presses.
As propriedades dos micro poros das membranas so determinadas atravs do
processo e materiais usados. As membranas polimricas so geralmente usadas nos
procedimentos de filtrao. Estes tipos de membrana so favorveis em termos da
relao custo/benefcio. As membranas de micro filtrao (MF) de materiais
inorgnicos como a cermica, o metal e o carbono, so utilizadas quando necessrio,
por exemplo, uma alta estabilidade trmica.
As membranas podem ser classificadas segundo as vrias caractersticas da sua
natureza:
a) Natural ou sinttica;
b) Estrutura porosa ou no;
c) Ao de mecanismo: adsortiva ou difusiva, troca inica, osmtica ou
membranas no seletivas.
Dentre as membranas inorgnicas, destacam-se as cermicas por serem timos
materiais para a produo dos tubos de filtrao, pois permite alta velocidade de
alimentao da filtrao tangencial, resultando em um regime turbulento que previne a
formao de incrustaes e garante um fluxo altamente permevel.
Membranas minerais ou cermicas deveriam ser extremamente versteis, visto
que elas so feitas de materiais inorgnicos e, portanto deveriam ter poucas das
desvantagens associadas com membranas polimricas. Camadas de alumina sinterizada
no sero retiradas sob condies de alta temperatura, presso ou queda de fluxo.
Porm, deve-se lembrar que, ainda que a prpria membrana seja muito resistente a
parmetros de operao extremos, a presena de materiais orgnicos no mdulo limita
seu desempenho (CHERYAN, 1998).
Algumas vantagens das membranas cermicas em comparao com as
polimricas so:
Resistncia a temperaturas acima de 280 C (especialmente modelos
desenvolvidos e sistemas acima de 700C);
Boa resistncia corroso: resistente a solventes orgnicos e extensa faixa de
pH;
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Membranas cermicas so apropriadas para limpeza e esterilizao;
Longa vida operacional;
Quimicamente inerte: aplicaes variadas na indstria.
As apresentadas acima mostram que este tipo de membrana tem diversas
aplicaes nos processos de separao, como, por exemplo, misturas de tinta/gua,
emulses gua/leo, tratamento de esgoto, etc.
As desvantagens em relao s membranas polimricas so:
Devido sua fragilidade deve ser manuseada com cuidado;
A taxa superficial rea/volume baixa, conduzindo a sistemas com maiores
dimenses;
Segundo Scott (1995), o investimento inicial em membranas de cermica
alto.
Membranas cermicas hoje movimentam uma gama variada em termos de
materiais (de alfa alumina a zircnia), aplicaes (de filtrao de suco de maa a xido
de zinco) e benefcios. Porm, elas so relativamente discutidas, ainda so recente no
mundo da filtrao tangencial de lquidos. Ento, novas aplicaes e benefcios de
forma crescente esto sendo encontrados para o uso dessas membranas.
Clarificao de sucos de fruta natural como maa e uvas so uma das mais
amplas e bem sucedidas aplicaes de membranas cermicas. Membranas cermicas de
filtrao fornecem uma alternativa particularmente atrativa, substituindo tratamentos
convencionais. Membranas produzem clarificao superior de sucos e baixo custo
comparado com processos de clarificao convencionais (SONDHI et al, 2003).
Na filtrao do caldo da cana de acar, podem-se usar membranas cermicas
em diversos estgios no produto bruto at no refino do acar. Uma oportunidade
interessante do uso da micro/ultrafiltrao est na clarificao do suco e/ou pr-
evaporao do suco como um pr-tratamento para separaes atravs de troca-inica ou
por cromatografia. A necessidade de compra, preparao e uso de filtros eliminado, no
caso da micro ou ultrafiltrao, em algumas aplicaes, o custo do equipamento
necessrio para desidratar os filtros pode ser comparado ao custo do sistema de
membrana.
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Reviso Bibliogrfica 28
Em muitas indstrias alimentcias e de bebidas, solues custicas aquecidas so
usadas para limpar uma variedade de equipamentos tais como: tanques, misturadores,
evaporadores e cristalizadores. Isto necessrio para manter condies prprias de
limpeza entre as produes em srie. As solues custicas consumidas contm slidos
suspensos (polpas, protenas de baixo peso molecular, polmeros orgnicos e
oligossacardeos), e aditivos tais como agentes umidecedores e surfactantes. Membranas
cermicas so capazes de reter os slidos suspensos e permitir a permeao dos aditivos.
Essas membranas so resistentes ao ataque biolgico e esterilizao vapor, por
isso que provavelmente h menor contaminao por bactrias. Tal aspecto altamente
atrativo para indstrias alimentcias e farmacuticas. Ultrafiltrao ou osmose reversa
com membranas pode substituir processos convencionais de alimentos, como por
exemplo, destilao, por isso minimiza a degradao trmica e reduz o consumo de
energia (WU e LEE, 1999).
leo de soja tipicamente extrado de tortas do gro por hexano, no processo do
leo comestvel. O extrato bruto normalmente contm de 25-30% em peso de leo de
soja. O hexano que removido por destilao consome a maior parte do custo de
energia de uma planta tpica para produo de leo de soja. A praticabilidade do uso de
processos com membranas para remover o solvente do leo vegetal cru foi examinada
por Kseoglu et al. (1990). Porm, as membranas polimricas foram prejudicadas pelo
hexano. Se o hexano parcialmente separado por ultra filtrao usando membranas
cermicas, o consumo de vapor pode ser menor do que o processo de destilao eltrico.
Solventes orgnicos causaram danos em membranas de material polimrico, por
mudar a estrutura dos poros. A instabilidade dessas membranas em solventes no
aquosos representa uma de suas maiores desvantagens, ao contrrio de membranas
inorgnicas. Guizard et al. empregou membranas de alumina, zircnia e slica na
ultrafiltrao para separao do asphaltene (ou betume - um dos produtos que forma a
mistura de hidrocarbonetos mais pesados que ficam no fundo de uma torre de destilao
fracionada do petrleo bruto) do leo cru no intervalo de temperatura de 155-180C, e
encontrou que membranas zircnia mostraram maior fluxo do que membranas alumina
e slica por causa do baixo nvel de interao com asphaltene (TSURU et al, 2001).
Hyun e Kim (1997) testaram membranas sintticas em sistema de micro filtrao
tangencial para separao do leo de emulses leo em gua, com presso trans-
membrana de 0,98 a 2,94 bar, velocidade tangencial de 0,27 a 0,55 m/s, e concentrao
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Reviso Bibliogrfica 29
da emulso de 600 a 11.000 ppm temperatura ambiente. Eles observaram que
variaes para essas condies no causaram eficincia na separao do leo. Testaram
tambm o fluxo do permeado e a eficincia na separao do leo para membranas
compsitas de alumina e zircnia, ambas com parmetros de operao iguais (presso
trans-membrana de 2,94 bar e velocidade tangencial de 0,27 m/s temperatura de 25
C). Em ambos os casos, houve uma queda significativa no fluxo do permeado, mas mais
abrupta para a membrana compsita de alumina (de 280 a 50 L/m2.h em 20 minutos de
operao) devido a uma torta criada na superfcie da membrana pelas gotculas de leo
acumuladas, que causaram uma barreira aumentando a resistncia ao fluxo. Mas depois
de certo tempo, o fluxo mostrou-se quase constante.
O fouling foi pouco pronunciado para a membrana compsita de zircnia, pois o
dimetro dos poros da mesma (0,07 m) era menor do que os da membrana compsita
de alumina (0,16 m). Assim, as gotculas de leo relativamente grandes causam um
maior bloqueio nos poros da membrana compsita de alumina em relao outra. As
duas membranas apresentaram quase 100% de eficincia na remoo de leo da
emulso o/a.
Membranas cermicas so ideais para limpeza com agentes qumicos a altas
temperaturas, de vez em quando usando soda custica, cloro, perxido de hidrognio,
oznio e cidos inorgnicos fortes e/ou usando esterilizao vapor. Essas membranas
tambm podem ser foradas reversamente, que basicamente uma tcnica que inverte o
fluxo do permeado para reduzir o fouling e aumentar a eficincia da filtrao. Esta
tcnica um mtodo in situ para limpar a membrana por reverter periodicamente o
fluxo do permeado atravs da presso aplicada ao lado do permeado (SONDHI et al,
2003). Desta forma, o lquido do permeado forado a voltar atravs da membrana para
o lado da mistura de alimentao, conforme mostra a figura 2.
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Reviso Bibliogrfica 30
Figura 2. Representao esquemtica da reverso de fluxo (Sondhi et al, 2003).
Esse fluxo reverso do permeado expulsa partculas depositadas dentro dos poros,
que so carregadas para fora do mdulo da membrana atravs do fluxo tangencial do
retentado ou concentrado, ou ento podem depositar-se novamente na superfcie
superior da membrana.
As membranas inorgnicas e de cermicas, geralmente, so encontradas na
forma tubular, sendo de canal simples ou de multicanal. Cuidados especiais devem ser
tomados com seus O-rings, gaxetas e tampes que so utilizados para manter seus
elementos em suas posies. Em todos os mdulos inorgnicos, a alimentao flui
dentro dos canais, enquanto o permeado escoa atravs do suporte (CHERYAN, 1998).
Titnio (TiO2) sinterizado em material poroso dentro dos tubos para formar
uma membrana de micro filtrao permanente com tamanho de poro de 0,1 m. Devido
suas excelentes propriedades qumicas e alta resistncia temperatura, so utilizadas em
processos de alta temperatura, filtrao crtica de lubrificao de leos. As membranas
de prata so atacadas pelos cidos sulfrico e ntrico, e como a maioria das membranas
inorgnicas so muito caras. Existem tambm as membranas de alumnio (QUEIROZ,
2004).
2.2.1. Processamento Cermico
A sinterizao uma tcnica de densificao do compacto cermico particulado.
Ocorre essencialmente remoo dos poros entre as partculas unitrias (acompanhado de
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Reviso Bibliogrfica 31
retrao do componente), junto com o crescimento e forte unio entre as partculas
adjacentes, assim, o compacto cermico se torna uma massa coerente. Geralmente a
energia de ativao e sustentao do processo de densificao fornecida na forma de
calor. A sinterizao ocorre frequentemente atravs de trs estgios de acordo com a
seqncia das mudanas fsicas. No primeiro estgio ocorre um rearranjo e incio da
formao de pescoo (figura 3).
Figura 3. Mudanas durante o estgio inicial de sinterizao. (a) incio, (b) rearranjo, (c) formao do
pescoo. (Richerson,1992)
No segundo estgio h um crescimento de pescoo, crescimento do gro e alta
retrao (figura 4).
Figura 4. Mudanas ocorridas no segundo estgio. (a) crescimento do pescoo e retrao no volume, (b)
crescimento do pescoo e aumento do comprimento do contorno de gro, (c) crescimento de gro.
(Richerson,1992)
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Reviso Bibliogrfica 32
No terceiro estgio ocorre grande crescimento de gro, fase porosa descontnua,
crescimento dos contornos de gros e posterior eliminao dos poros (figura 5).
Figura 5. Mudanas no estgio final de sinterizao. (a) crescimento de gros e descontinuidade da fase
dos poros, (b) crescimento de gro e reduo da porosidade, (c) crescimento de gro com eliminao da
porosidade. (Richerson,1992)
Durante a sinterizao, as partculas se unem mais intimamente, reduzindo a
porosidade. A fora motriz necessria para esse processo fornecida pela diminuio da
energia superficial total, devido ao contato e crescimento entre os gros. Os tomos dos
gros pequenos so transferidos para os maiores, e os poros so substitudos pelo
material constituinte. Essa transferncia de massa pode ser acompanhada por quatro
mecanismos distintos, mas algumas vezes simultneos. A tabela 1 apresenta estes
mecanismos.
Tabela 1. Mecanismos de sinterizao (FORTULAN et al, 1995).
Tipo de
sinterizao
Mecanismo de transporte
de
material
Energia motriz
Fase-vapor Evaporao-condensao Diferenas na presso de vapor
Estado-slido Difuso Diferenas na energia livre ou
potencial qumico
Fase-lquida Fluxo viscoso, difuso Presso capilar, tenso superficial
Lquido reativo Lquido viscoso, soluo-
precipitao
Presso capilar, tenso superficial
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Reviso Bibliogrfica 33
Os ltimos anos tem tido um progresso importante na preparao de suportes de
membranas e membranas suportadas. A pesquisa tem sido impulsionada pela
preparao de membranas tendo a distribuio de tamanho de poros controlada acima de
um estreito intervalo (RADHARANI DAS e DUTTA, 1999).
Radharanidas e Dutta (1999) apud Peterson et al. (1984), relataram a preparao
de membranas alumina-titnia suportada, pela tcnica sol-gel, iniciando com o precursor
2-metil-2-butxido, e pde alcanar poros pequenos o suficiente para interromper a
passagem de molculas com peso molecular menor que 200. O dimetro mdio do poro
foi de aproximadamente 10 nm. De Lange et al.(1995) tambm usaram a tcnica sol-gel
para preparar membranas -alumina suportada em -alumina pela camada imersa (dip
coating). Eles modificaram assim as membranas preparadas por sobrepor uma camada
adicional de slica usando slica sol (slica em soluo). Tambm preparam membranas
usando solues binrias de titnia, zircnia e alumina em combinao com slica. As
membranas mesoporosas produzidas foram testadas para separao de uma mistura de
Hidrognio (H2) e Metano (CH4).
2.3. Misturas Emulsivas
2.3.1. Macro e Micro Emulses Teoria e Aplicao
Misturando mecanicamente gua e leo, possvel produzir uma suspenso de
gotculas de leo em gua ou, uma emulso. A maionese o exemplo mais comum.
possvel produzir emulses formadas por gotculas de gua em fase contnua de leo,
como, por exemplo, manteiga. Em ambos os tipos de emulso, a grande tenso
interfacial entre a gua e o leo, acompanhada pela existncia de grandes reas
interfaciais, implica a emulso ter uma energia de Gibbs grande em comparao com as
das fases individuais (CASTELLAN, 1986). Para suprir esta energia de Gibbs um
trabalho mecnico consumido, semelhante quando se agita rapidamente uma mistura.
Assim, o processo de emulsificao implica num grande aumento de rea interfacial (S1
S2), a qual leva a um aumento brusco da energia livre de superfcie (G1 G2). Este
fenmeno, em condies de temperatura constante, pode ser descrito pela Equao (2)
(OLIVEIRA et al, 2004):
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Reviso Bibliogrfica 34
G = G2 G1 = i x S (2)
Na qual, i representa a tenso interfacial entre as fases aquosa e oleosa.
Se considerarmos que o aumento da rea interfacial (S1 S2) imprescindvel
do ponto de vista tecnolgico, uma das alternativas para estabilizar uma emulso seria
fornecer energia mecnica continuamente, de modo a manter a rea interfacial
aumentada. Este fator, embora necessrio para a disperso, por si s no suficiente,
pois vence a barreira da tenso superficial apenas temporariamente, enquanto durar a
agitao. Ento possvel verificar (atravs da equao 2) que o caminho mais vivel
para a estabilizao do sistema diminuir a tenso interfacial da disperso, para reduzir
a energia livre derivada da expanso da rea interfacial. possvel verificar, tambm,
que a estabilidade da emulso dever ser maior, quanto menor for a energia livre
remanescente da expanso da rea interfacial, tendendo a um sistema
termodinamicamente estvel, caso o aumento da energia livre seja totalmente
compensado pela diminuio da tenso interfacial.
A adio superficial de um agente ativo (agente emulsificador), como um sabo
ou detergente, ou qualquer molcula com uma extremidade polar e a outra formada por
uma cadeia parafnica (apolar) longa, aos sistemas separados de leo e gua, diminui
significativamente a tenso superficial, assim; a energia de Gibbs necessria para a
formao da emulso torna-se menor. A tenso interfacial decresce devido adsoro
dos agentes ativos na interface, com a extremidade polar na gua e a cadeia parafnica
no leo.
As emulses tradicionalmente preparadas com gomas naturais tm sido usadas
em farmcias h sculos na administrao de leos e vitaminas. Na ltima dcada,
entretanto, tem havido um novo interesse nas emulses como veculo no
desenvolvimento de drogas para o corpo, bem como o de encontrar caractersticas
vantajosas que freqentemente aumentam a biodisponibilidade da substncia. Uma
emulso pode ser leo em gua ou gua em leo, designando assim as fases descontnua
ou interna e contnua ou externa, respectivamente. Existem tambm as emulses
mltiplas que podem ser gua-leo-gua ou leo-gua-leo.
Emulses podem ser definidas como sistemas heterogneos de um lquido
disperso em outro na forma de gotculas, normalmente, excedendo 0,1 m de dimetro.
Ambos os lquidos so parcialmente miscveis, quimicamente no reativos e formam
sistemas caracterizados por uma estabilidade termodinmica mnima. Microemulses
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so formadas espontaneamente, ao contrrio das macroemulses (tamanho de gotcula:
200 500 nm) e miniemulses (tamanho de gotculas: 100 400 nm), as
microemulses so isotrpicas e termodinamicamente estveis. Alm disso, elas so
opticamente transparentes porque as gotculas de leo e gua so bastante pequenas (10
200 nm) no espalhamento de luz visvel.
A menos que a energia livre da interface seja zero, uma emulso no pode ser
um sistema estvel termodinamicamente desde que a reduo da rea em contato com a
gua resulte sempre da coalescncia das gotculas. A estabilidade um termo relativo,
mas o grau de estabilidade pode ser assegurado pela observao da mudana da taxa de
um parmetro como a rea interfacial ou dimetro da gotcula (MOREIRA, 1994).
Quando dois lquidos imiscveis so misturados, mantendo-se agitao
constante, as duas fases tendem, inicialmente, a formar gotculas dispersas de um dos
lquidos no interior do outro. Quando a agitao cessa, as gotculas tendem a coalescer e
os lquidos separam-se novamente. Podemos, ento, definir o tempo de vida de uma
emulso, como o tempo decorrido desde o momento em que os lquidos esto
completamente homogeneizados, at a separao total do sistema. Assim, o "tempo de
vida" maior quanto melhor for a estabilidade do sistema.
Moreira (1994) apud King (1940), referiu-se a emulses instveis como leos
hidrossolveis que coalescem rapidamente, enquanto emulses estveis podem reter
uma fase interna altamente dispersiva por meses ou anos. Como a energia livre da
interface dirige sua fora para a coalescncia, as emulses podem ser estabilizadas pela
incluso de uma substncia tensoativa no sistema que concentra a interface leo-gua
(O/A).
A instabilidade de emulses manifestada na mudana das propriedades fsicas
da disperso, como: a distribuio do tamanho das gotculas, as propriedades reolgicas
ou outros parmetros que so uma conseqncia da coalescncia das gotas ou da
floculao, este termo se refere a uma significante alterao do dimetro efetivo da gota
antes da etapa de separao de fase, pode tambm afetar a aparncia das emulses
lquidas e slidas.
Quando uma emulso gua/leo instvel, a decantao e processos de
coalescncia so adequados, por mais que a fase leo em efluentes seja emulsificado na
forma de emulses estabilizadas. Neste caso, a desestabilizao pela adio de reagentes
qumicos (cidos, sais ou polieletrlitos) torna-se necessrio antes da separao do leo
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proveniente da fase aquosa por decantao, centrifugao, flotao, etc (NABI et al,
2000).
Vrias tcnicas fazem uso de centrfugas, clulas eletrolticas, etc. Porm, o
processo mais convencional e simples (flotao gravitacional) tem a sua aplicabilidade
diminuda quando gotinhas de leo caem na faixa abaixo de mcron. O problema torna-
se mais marcante quando surfactantes esto presentes na superfcie da camada de
gotculas de leo, aumentando as foras repulsivas entre elas. Tais surfactantes so
adicionados propositalmente emulso em indstrias siderrgicas para aumentar sua
estabilidade.
A filtrao tangencial, quando usada na separao de fase, tem a vantagem de
reduzir ou evitar o uso de reagentes qumicos. Estudos na rea de ultrafiltrao de
emulses tm sido intensificados, acima de tudo com respeito ultrafiltrao na reduo
da quantidade de leo em emulses, sendo a influncia das condies de operao o
ponto principal da maioria desses estudos.
A lei de Stoke ilustra a importncia do dimetro das gotculas de leo na
separao de fase de uma mistura. De acordo com essa lei, a taxa de separao
gravitacional depende da velocidade crescente da gotcula , que proporcional ao
quadrado do dimetro da gotcula d (MENOM e WASAN, 1985):
= d 2 (w - 0) g / 18) (3)
sendo que g a acelerao da gravidade, a viscosidade da gua e (w - 0 ) a
diferena de densidade entre a fase gua e a fase leo, respectivamente. Portanto, ela
vantajosa para aumentar o tamanho da gotcula de emulses estveis em que o uso da
separao gravitacional pode ser aplicado. Por exemplo, uma gotcula com tamanho de
1m e densidade de 877 Kg.m-3 tem uma velocidade de aproximadamente 6 x 10-8 m/s,
enquanto uma gotcula de 10 m tem uma velocidade 6 x 10-6 m/s. Em outras palavras,
uma gotcula de 1m leva aproximadamente 93 h para percorrer 2 cm, ao contrrio da
de 10 m que leva 0,9 h para percorrer a mesma distncia (HONG et al, 2003).
Nazzal and Wiesner (1996), investigaram os efeitos da presso trans-membrana
e tamanho dos poros. Eles encontraram que se as presses trans-membranas estiverem
abaixo da presso crtica e rejeies da emulso pode ser maximizada (HONG et al,
2003). Uma diferena importante entre membranas de mistura ou juno e membranas
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de rejeio o fluxo potencial, o qual pode diferir por uma ordem de magnitude em
favor da mistura ou unio.
No trabalho de Nabi et al. (2000), foram feitas observaes atravs de um
microscpio ptico de emulses com uma concentrao de leo consistindo entre 85 e
90% em volume e de aparncia muito opaca e leitosa, afirmando que essas emulses
eram do tipo (A/O). Diluindo essas emulses com gua resultou em uma mistura de fase
aquosa com aglomerados de gotculas de leo que dispersaram muito lentamente. Isso
mostrou, portanto, que o processo de desestabilizao dessas emulses A/O, se ocorre,
lento. Portanto a concentrao de leo numa emulso desse tipo um fator relevante no
processo de desestabilizao.
2.3.2. Aspectos Fsico-Qumicos de uma Emulso e sua Interao com Membranas
O problema da estabilidade de emulses um dos mais importantes e complexos
em cincia coloidal. Tambm emulses fortemente diludas, limitando a interao dos
pares, conhecimento incompleto das foras de superfcie (foras hidrofbicas e
hidratao, influncia de camadas adsorvidas, etc.) e processos dinmicos (interaes
hidrodinmicas entre gotas em curtas distncias, deformao das gotas, dependncia da
interao de filmes entre elas, irreversibilidade da coagulao) que podem conduzir a
modelos tericos no confiveis e a discrepncias entre resultados tericos e
experimentais.
Nos ltimos anos, vrios trabalhos foram descritos a respeito da estabilidade de
emulses, eles repetem vrios aspectos relacionados capilaridade, reologia, interaes,
hidrodinmica e transporte interfacial. Por esses trabalhos pode-se ver que as
descobertas nessa rea de pesquisa, promovem acontecimentos cientficos relevantes
para as propriedades fsica, qumica e hidrodinmicas de emulses.
O comportamento de emulses depende da natureza da fase dispersa e o
ambiente de disperso, do mtodo de formao da emulso e importantes fatores que
afetam subprocessos que ocorrem na preparao de emulses.
P. Walstra e P.E.A. Smulders descreveram o processo de formao de emulso,
dando ateno a alguns mtodos importantes e invenes para preparar emulses e
apresentaram uma anlise detalhada da influncia hidrodinmica do escoamento laminar
e turbulento, deformao da gota e movimento, viscosidade e adsoro de surfactantes
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na separao de gotculas pequenas dentro de gotas grandes. Tambm deram sria
ateno ao papel da mudana na tenso superficial que causa escoamento prximo a
uma interface leo-gua mais conhecido como efeito Marangoni (MISHCHUK et al,
2004).
A probabilidade de juno das gotculas uma funo das foras de interao e
tenso superficial. Portanto, um estudo da coalescncia e de sua dependncia na
concentrao de diferentes misturas e das condies de preparao, so fatores
significantes.
A presena de ar, bem como partculas slidas, que freqentemente observada
em vrias indstrias ou emulses naturais executam uma funo importante na
proporo e na taxa de agregao. Alm disso, propriedades hidrofbicas/hidroflicas da
superfcie das partculas promovem efeitos antagnicos para diferentes tipos de
emulses. Por exemplo, isto foi mostrado por partculas hidroflicas e hidrofbicas de
slica que promoveram a estabilizao de emulses O/A e A/O, respectivamente. Tal
resultado facilmente compreensvel, porque no primeiro caso, as partculas se alojam
na gua e, no segundo caso, no leo, ou seja; cria-se um impedimento estrico. Essas
partculas tambm afetam as propriedades viscoelsticas das interfaces e, desta forma,
aumentam a estabilidade da emulso.
Mais de 80% do leo cru explorado existe em um estado emulsivo, em todo o
mundo. As emulses mais comuns na indstria petrolfera so as do tipo gua em leo.
A ocorrncia de surfactantes em leos cru tem sido grandemente identificada como
responsvel pela estabilidade dessas emulses. A existncia de surfactantes promove a
estabilidade aparente de emulses devido formao de filmes rgidos ou altamente
viscosos na interface leogua. Por razes operacionais e econmicas, necessrio
separar a gua completamente do leo cru antes do transporte ou refino dele.
Minimizando o nvel de gua no leo possvel reduzir a corroso no oleoduto e
maximizar o seu uso (XIA et al, 2004).
Nabi et al (2000), estudaram o efeito da adsoro de uma emulso de leo de
oliva pouco estabilizada (5 % em leo) e do leo puro na superfcie da camada de
zircnia, em parte da membrana comercial (Carbosep) tubular, eles constataram que a
gota de leo desapareceu rapidamente por dentro dos poros por capilaridade, enquanto a
emulso de leo em gua permaneceu na superfcie. Quando tentaram lavar a superfcie
com gua destilada, s foi possvel eliminar parte da emulso. Diante dessas
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observaes, puderam concluir que a superfcie da membrana era altamente
hidrofbica.
Segundo Cheryan (1998), para a hidrofilicidade de um fluxo de alimentao
aquoso, a membrana ideal deveria ser hidroflica (atrao por gua); se o material
hidrofbico, adsorver componentes que so hidrofbicos ou anfteros, e isso pode
causar o fouling. Por exemplo, muitas protenas tm regies hidrofbicas dentro de sua
estrutura que pode interagir altamente com materiais hidrofbicos.
Uma medida da hidrofilicidade relativa de uma membrana o ngulo de contato,
que a medida de quanto o lquido pode molhar a superfcie em contato. Se uma gota
de gua colocada em um material completamente hidroflico, a gua espalha-se na
superfcie, resultando em um ngulo de contato zero ou baixo. Um material hidrofbico,
por outro lado, repele a gua, causando um alto valor no ngulo de contato. Materiais
hidrofbicos tendem a atrair leo em um escoamento de resduos de gua oleosa, mas
hidrofilizando a membrana poderia minimizar o leo no fouling.
Em geral, o ngulo de contato de uma gotcula de leo na superfcie cermica da
membrana em presena de gua maior do que 90 isto ; a superfcie da membrana
hidroflica. Portanto, a presso capilar negativa (contrria presso hidrulica) e
impede a entrada da gotcula de leo pelo poro da membrana, conforme mostra a figura
3. Presso hidrulica comparvel presso do retentado na operao de filtrao
(TING e WU, 1999).
Figura 6. Princpio da rejeio da gotcula de leo por presso capilar na superfcie da membrana
adaptada de:TING e WU, 1999.
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Os materiais hidrofbicos bem conhecidos tendem a apresentar altos ngulos de
contato (>100), enquanto alguns materiais cermicos, de celulose e especialmente
hidrofilizados tm baixos valores (< 30).
A evidncia parece indicar que a remoo de lipdeos no soro do leite por
centrifugao ou micro filtrao tem um efeito benfico no fluxo deste processo. A
evidncia indireta do efeito nocivo de lipdeos no fluxo pode ser vista por comparar o
fluxo durante a ultrafiltrao do extrato da gordura total do gro de soja em gua e
extrato no gorduroso do gro de soja em gua. No primeiro caso, o fluxo tornou-se
independente da presso a presses relativamente baixas e foi muito baixo, enquanto no
outro caso, o fluxo foi dependente da presso durante todo o intervalo da presso de
operao e foi muito alto.
Com misturas gua em leo, deve ser lembrado que semelhante atrai
semelhante; se membranas hidrofbicas so usadas, leo livre pode cobrir a membrana
resultando num fluxo pobre (leo emulsificado no normalmente um grande
problema, a no ser que esteja concentrado a um alto nvel de tal maneira que a quebra
da emulso, libere leo).
Emulses gua/leo tm sido tambm feitas usando membranas hidroflicas.
Porm o tamanho resultante da gotcula menor do que o tamanho do poro e
aparentemente dependente da estrutura do poro de sada e no estritamente do dimetro.
Membranas adquiridas na forma hidroflica podem ser transformadas para
hidrofbicas por modificao qumica. Esta possibilidade cria problemas em certas
circunstncias em que agentes acopladores silanos (SiH4) so eliminados, tal como na
indstria alimentcia. Pode ser necessrio tambm repetir o tratamento superficial aps
cada ciclo de limpeza (JOSCELYNE e TRGARDH, 2000).
Membranas pr-umidecidas em solues de surfactantes ou emulsificantes tem
mostrado tambm melhora no fluxo da fase dispersada. A reduzida tenso interfacial
nos poros conduz ao melhor preenchimento dos mesmos.
2.3.3. Tratamento de Resduos Industriais
Alguns fluxos de guas residurias industriais contm uma considervel quantia
de resduos em leos. Estes leos provm de lubrificantes de bicicletas, hidrulicos,
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instalaes de impresso e processos de limpeza de metais e contm partculas de todos
os tamanhos. O leo presente em gua com resduos pode ser separado por tecnologias
comuns de separao. Uma sedimentao posterior serve para separao do leo
remanescente na gua e partculas grossas. Aps esse pr-tratamento, o leo como
resduo pode ser usado como um substituto para leo combustvel com a finalidade de
economizar os custos de energia. Entretanto, o uso de leo reciclado causa uma fuligem
e resduos de combusto muito significantes comparados utilizao de leo no
reciclado.
Filtrao a separao de no mnimo dois componentes vindos do escoamento
de um fluido, baseada primariamente nos tamanhos diferentes. leo, o fluido
investigado neste caso, e gua, tem algumas propriedades fsicas e qumicas em comum.
Sendo, porm, a viscosidade do leo investigado sete vezes maior do que a da gua a
20C (C. PSOCH et al, 2004).
De acordo com C. Psoch et al. (2004), Lai e Smith descreveram a filtrao
tangencial de leo altamente viscoso (425 MPas a 80 C) atravs de membranas
tubulares cermicas (tubo nico e multi canais). Com temperaturas entre 120 e 130 C,
presses trans-membrana de aproximadamente 500 KPa e tamanhos de poro acima de
0,1 m, eles obtiveram fluxos na faixa de 2,23,1 kg/m2h. A vida til para membranas a
uma velocidade tangencial de aproximadamente 7 m/s foi entre 10 e 12 h.
Outros pesquisadores investigaram a filtrao tangencial para leo mineral usado
atravs de membranas cermicas com multi canais. Os resultados foram satisfatrios. O
grupo de pesquisa obteve um fluxo de 15,6 kg/m2h a uma temperatura de 80 C e
velocidade tangencial de aproximadamente 6 m/s (para poros com tamanho de 300 kD e
presso trans-membrana de 1 MPa). Para a recuperao de tintas de impresso,
membranas cermicas foram usadas com xito em sistemas tinta/gua. Poros com
tamanho de 0,2 m formam uma barreira suficiente para pigmentos coloridos. O alto
custo de mdulos cermicos limita seu uso para condies de operao extremas.
O processo de micro filtrao aplicado no tratamento de resduos no processo
de usinagem de metais, e na desemulsificao de misturas em processos particulares da
engenharia de petrleo. Benito et al. (1999) estudaram um processo integrado com
ultrafiltrao para remoo de leos em efluentes da indstria siderrgica. O leo
contido no permeado proveniente do estgio de ultra filtrao 75% menor que os
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limites estabelecidos por todos os pases da Unio Europia. Alm disso, todas as
partculas slidas em suspenso foram removidas durante o estgio de ultra filtrao.
Resduos gordurosos ou oleosos em gua constituem um dos maiores problemas
ambientais em vrias indstrias. A indstria txtil usa gua para remover leos naturais.
Indstrias automotivas e aeronuticas usam gua para uma variedade de limpezas e
remover graxa de equipamentos por meio qumico. Gorduras naturais animal/vegetal e
leos so gerados como produtos secundrios (resduos) em vrios processos de
fabricao de alimentos.
Por mais de 20 anos processos com membranas tm sido usados em processos de
produo de alimentos e esto sendo usados gradativamente em tcnicas de despoluio,
particularmente devido capacidade que tm de concentrar bioprodutos de interesse tais
como: concentrar protenas do soro do leite, reciclagem de tintas usadas em impresso e
remoo de graxas de maquinrios em indstrias de engenharia mecnica, recuperao
de metais preciosos e compostos aromticos, etc (NABI et al, 2000).
Emulses leo-gua instveis podem ser quebradas mecnica ou quimicamente e
ento separadas. Porm muitos desses escoamentos efluentes envolvem emulses
estveis que so muito difceis de quebrar devido presena de detergentes
(surfactantes) usados na limpeza e remoo de graxa de equipamentos. Essas emulses
podem ser tratadas quimicamente para produzir um sedimento (precipitado), que
contm muito leo e sujeira junto com quantia considervel de gua. Esta sujeira precisa
ser estabilizada para controle superior, e a fase aquosa precisa frequentemente ser
tratada para favorecer a remoo de leo residual e outros componentes orgnicos e
inorgnicos (ZEMAN e ZYDNEY, 1996).
Ultra filtrao fornece uma alternativa muito atrativa para este tipo de tratamento
qumico. As gotculas de leo so completamente retidas pela membrana UF, j que a
membrana permevel ao leo livre (solvel). Ultra filtrao de emulses altamente
estveis produz permeado de gua que pode ser despejado diretamente a um sistema
municipal de guas residuais fora de qualquer outro tratamento. A fase leo concentrada
geralmente menor que 5 % do volume do resduo original, o leo pode ser reciclado,
incinerado ou quimicamente tratado, dependendo da demanda especfica do processo e
economia.
Membranas hidroflicas so normalmente usadas para filtrar esses resduos
oleosos em gua, visto que membranas hidrofbicas podem vir a ser encharcadas com o
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leo e perder fluxo de gua durante a operao. Membranas de celulose e polimricas
tm sido usadas para esse fim. As de celulose fornecem fluxo excelente e resistncia ao
fouling para o leo de emulses, mas tendem a degradar em pH alto e temperaturas
altas, condies que so encontradas em vrias aplicaes.
Neste sentido, membranas cermicas e determinadas membranas polimricas
hidroflicas, tm sido um dos mtodos mais eficientes na separao de emulses
leo/gua. Comparada com a suspenso de slidos, a separao de emulses com
membranas abre caminho para envolvimento adicional