Membranas de Filtração (revisão bibliográfica)

1 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Com o desenvolvimento da tecnologia, compreende-se que os surgimentos de membranas como geradores de filtração já eram utilizados desde a antiguidade, porém este conceito tornou-se significativa nos meados do século XIX, após a sintetização do nitrato de celulose (MELO et al, 2004).

Hoje em dia, são utilizadas em “diferentes setores de atividade na indústria química, na área médica, passando pela biotecnologia, indústria alimentícia e farmacêutica e tratamentos de águas industriais e municipais”. Assim, visando que processos clássicos como: destilação, filtração, absorção, extração por solvente, cristalização, entre outros, apresentam insuficiências em processos de grande escala, porém “processos combinados, envolvendo processos clássicos e PSM, cada qual atuando na faixa em que é mais eficiente, têm se mostrado mais vantajoso do que a utilização de cada uma das tecnologias isoladamente”. (HABERT; BORGES; NOBREGA, 2006).

O conceito de membranas

        O conceito de membrana pode se dar como “uma barreira que separa duas fases e que restringe total ou parcialmente o transporte de uma ou várias espécies químicas presentes nas fases”. Porém, a mesma pode não operar adequadamente se o sistema não estiver funcionando devidamente, que pode ocorrer devido ao que se conhece por fouling (incrustação), assim, para cada tipo de membrana deve-se estudar o melhor tipo de limpeza (química ou mecânica) para evitar esse tipo de problema. (HABERT; BORGES; NOBREGA, 2006)

        Geralmente, membranas sintéticas comerciais são feitas de materiais poliméricos com características físicas e químicas variadas. Membranas de materiais inorgânicos recentemente entram em disputa no mercado com membranas poliméricas devido a maior vida útil e facilidade de limpeza, porém são mais caras que as poliméricas. (MULDER, 1991, tradução nossa)

Processo de separação por membranas (PSM)

        Para ocorrer transporte de uma espécie através da membrana a força motriz utilizada em meio comercial é o gradiente de potencial químico ou gradiente de potencial elétrico. Esse processo pode ocorrer pelo mecanismo de convecção ou pelo mecanismo de difusão, isto é, membranas que utilizam barreiras de paredes para se separar as fases ou capilares com diâmetro muito pequeno, de modo que quando há alimentação, componentes não passam e ficam retidos o que se chama de concentrado, e a parte dos componentes que passa a barreira são denominados permeados. A Figura 1.1 apresenta alguns tipos de membranas e o seu mecanismo de funcionamento. (HABERT; BORGES E NOBREGA, 2006)

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Figura 1.1: Tipos ((a)planar, (b) tubular, (c) fibra ocas e (d) espiral) de membranas e seus mecanismos de funcionamento. (Fonte: Portal de laboratórios virtuais de processos químicos)

Morfologia de membranas, força motriz e transporte

        Em processos com membranas porosas a capacidade seletiva é associada ao tamanho das espécies, tamanho dos poros e também utilizam a pressão como força motriz, nelas englobam a microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), nanofiltração (NF) e osmose inversa (OI) (MULDER, 1991, tradução nossa). Atualmente, estes processos são utilizados em grandes escalas, Melo et al, (2004) descreve um pouco desses processos, onde:

A MF é muito utilizada no tratamento de água e efluentes e permite remoção de partículas e bactérias.  A UF está associada à concentração, fraccionamento e purificação de soluções de macromoléculas na indústria alimentar e farmacêutica e também no tratamento de água e efluentes. A operação de osmose inversa é utilizada  na dessalinização de água do mar e na produção de água ultra-pura para fins médicos, farmacêuticos, água de alimentação de caldeiras e de vários processos industrias. A NF é um processo intermediário entre a osmose inversa a ultrafiltração e é aplicada no tratamento de águas salobas, efluentes industriais e várias correntes de processos químicos, farmacêuticos e alimentares, já que esta operação permite a separação de solutos de baixo peso molecular e a desmineralização parcial de correntes líquidas.

        Em membranas densas a capacidade seletiva está ligada a afinidade das espécies com o material da membrana e utilizam o gradiente de concentração como força motriz, logo se definem em pervaporação (PV), permeação de gases (PG) e diálise (D). Existindo ainda eletrodiálise (ED), que utiliza o gradiente de potencial elétrico como força motriz, isto posto, é utilizada nos casos em que pelo menos uma das espécies apresenta carga elétrica. (STREIT, 2011)

        Na Tabela 1.1, está representada os processos mais utilizados na indústria, assim como o tipo de membrana associado com o mesmo, sua força motriz, mecanismos de separação, tamanho do poro de retenção e principais aplicações.

Tabela 1.1: Apresentação dos principais conceitos de membranas. (Fonte: MELO et al,

2004)

Processo de separação	Tipo de membrana	Força motriz	Mecanismo de separação	Tamanho dos poros (nm)	Aplicações
Microfiltração (MF)	Microporosas	Pressão 0,1 – 1 bar	Exclusão por tamanho de partícula	5000- 50	Remoção de partículas (clarificação, esterilização)
Ultrafiltrarão (UF)	Microporoas e assimétricas	Pressão 0,5 – 5 bar	Exclusão molecular	50 – 3	Separação de macromoléculas em solução
Diálise (D)	Microporosas simétricas	Gradientes de concentração	Solução/difusão	10 – 0,1	Separação de sais e pequenos solutos de soluções macromoleculares
Eletrodiálise (ED)	Membranas homogêneas de permuta catiônica e aniônica	Gradientes de potencial elétrico	Transporte de contra-íons através de membranas com carga elétrica	10 – 0,1	Dessalinização de soluções iônicas
Nanofiltração (NF)	Assimétricas integrais e compostas	Pressão 15 – 40 bar	Exclusão molecular. Solução/difusão	5 – 0,5	Remoção de pequenos solutos orgânicos e dessalinização parcial
Osmose inversa (OI)	Assimétricas integrais e compostas	Pressão 20 – 100 bar	Solução/difusão	1 – 0,1	Dessalinização
Pervaporação (PV)	Assimétricas e simétricas	Gradientes de concentração	Solução/difusão	< 0,1	Purificação de solventes e concentração de pequenos solutos orgânicos
Permeação gasosa (PG)	Homogêneas	Gradientes de concentração e pressão	Solução/difusão	< 0,1	Separação de mistura de gases