A Separação de Misturas

A observação do funcionamento das membranas nas células dos tecidos vivos com relação à sua seletividade, baixo consumo de energia e especificidade motivou vários estudos acerca deste método, que pudesse ser empregado como uma eficiente ferramenta de inovação em processos industriais, principalmente.

Sendo um método relativamente recente que vem se destacando cada vez mais como alternativa, a separação por membranas (VANTAGENS:  no que se refere ao consumo de energia, especificidade e facilidades de scale-up.), consiste na separação do soluto e do solvente através de membranas semipermeáveis à seletos grupos de substâncias, permitindo a passagem de alguns e o aprisionamento de outros. E é importante salientar que a principal diferença entre a separação usando membranas e filtros é que na filtração, o escoamento é perpendicular a este, formando assim a “torta” do soluto. Já no uso de membranas, o escoamento é tangencial, permitindo assim, a menor formação de camadas sobre os poros e então facilitando a continuação da separação.

Nos primórdios de seus estudos, os processos de separação por membranas sofreram preconceito, pois iria enfrentar problemas associados ao desconhecimento de suas técnicas e também ao elevado valor que as primeiras membranas tinham, criando uma falsa narrativa de que se tratava de uma técnica cara e de difícil aplicação (Michael, 1990). Porém, com o passar do tempo, o diferencial de inserção da técnica no mercado trouxe uma enorme evidência da mesma, competindo com processos clássicos de separação e desconstruindo o preconceito criado no início.

As membranas podem ser classificadas de algumas formas: biológicas (vivas ou não vivas) e sintéticas (orgânicas ou inorgânicas) ou pelo seu tamanho:

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• Membranas Inorgânicas: apresentam maior estabilidade térmica e química quando comparadas aos polímeros (sendo preferíveis para processos dados à altas temperaturas e pressões, ou na presença de solventes orgânicos). Podem ser obtidas a partir de cerâmicas, materiais vítreos, metálicos ou zeolíticos.
• Membranas Orgânicas: apresentam resistência limitada enquanto temperatura e produtos químicos. São a base de polímeros, como a celulose e seus derivados

Se tratando de sua estrutura, existem três grandes grupos que compreendem, segundo o tamanho de seus poros:

• Os macroporos, com diâmetro         superior a 50mm;
• Os mesosporos, com diâmetro entre 2 e 50mm;
• Os microporos, com diâmetro inferior a 2mm

Classes de Filtração

Em relação à filtração de líquidos, as membranas porosas se classificam em três tipos de processos importantes:

• Microfiltração: é o processo de separação mais próximo à filtração clássica, utilizando poros de tamanhos que variam de 0,1 a 10 μm. Como o tamanho deste tipo de membrana é relativamente grande, as pressões empregadas são da ordem 2 bar. Neste procedimento, o solvente e todo o material solúvel passa pela membrana, ficando retido apenas o material em suspensão;

• Ultrafiltração: é o processo utilizado quando se deseja fracionar e purificar soluções contendo macromoléculas, contendo poros que variam de 1 a 100nm.

• Nanofiltração: é o processo de separação que utilização membranas com poros menores que 1nm de diâmetro, separando principalmente íons metálicos e sais em soluções.

Além disso, na filtração de líquidos, as membranas densas são usadas principalmente na osmose reversa. Na parte de Princípios Termodinâmicos, a osmose reversa será abordada com maior clareza.

[pic 1]

O processo de separação por membrana pode ser simplificado de acordo com o esquema abaixo, onde Cf representa a corrente de alimentação, Cr representa a corrente com o soluto concentrado e Cp a corrente do permeado. Dependendo do tipo de indústria no qual o processo será implantado, tanto Cr quanto Cp podem ser interessantes.

[pic 2]

TRANSFERENCIA DE MASSA

O transporte de matéria através de uma membrana resulta da aplicação de uma força de transferência aos diferentes componentes da fase de alimentação, sendo a sua eficácia medida em relação a dois parâmetros: o fluxo do solvente e a seletividade.

A seletividade é dada por:

 R = 1 – CP/CF 

Quando R= 0, a concentração da substância em questão na alimentação é igual a sua concentração no permeado, ou seja, sua membrana não possui capacidade seletiva para a mesma.

Já quando R=1, o contrário acontece. Não há presença da substancia no permeado, indicando que a membrana foi capaz de rejeitá-lo completamente.

Já o fluxo do solvente por J = A(∆P/∆Z) , onde A é um coeficiente fenomenológico e ∆P/∆Z é o gradiente da força de transferência através da membrana.

Um parâmetro importante que permite caracterizar a natureza do fluido dentro do módulo e o número de Peclet, Pê = vL/D, onde v é a velocidade do fluido, L é a distância longitudinal (comprimento) do canal por onde o fluido circula e D é o coeficiente de difusão.

Se o fenômeno de convecção for mais importante que o de difusão, o número de Peclet será muito maior que a unidade. Os modos de funcionamento mais eficazes são os em contracorrente e com a alimentação tangencial e a retirada do permeado perpendicular à membrana.

Termodinâmica

A técnica de separação por membranas consiste na utilização do gradiente de potencial químico como força motriz na diálise e eletrodiálise, de acordo com a seguinte equação:

[pic 3]

Onde μi é o potencial eléctrico da espécie i, λi é o coeficiente de atividade, xi é a fracção molar, vi é o volume molar e ΔP o gradiente de pressão.

Já para Microfiltração, Ultrafiltração, Nanofiltração e Osmose Reversa, a força motriz é dada pela pressão hidráulica aplicada ao sistema, concentrando, fracionando e purificando soluções diluídas, em particular as aquosas.