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Sistema de Osmose Reversa Industrial
Introdução ao Projeto
Princípio do sistema de osmose reversa
A uma determinada temperatura, uma membrana semipermeável é utilizada para separar a água doce da solução salina. A água doce move-se para a solução salina através da membrana semipermeável. À medida que o nível do líquido no lado da solução salina do ventrículo direito sobe, uma certa pressão é gerada para impedir que a água doce do ventrículo esquerdo se mova para o lado da solução salina, até que o equilíbrio seja finalmente atingido. A pressão de equilíbrio nesse momento é chamada de pressão osmótica da solução, e esse fenômeno é chamado de osmose. Se uma pressão externa superior à pressão osmótica for aplicada ao lado da solução salina do ventrículo direito, a água na solução salina do ventrículo direito se moverá para a água doce do ventrículo esquerdo através da membrana semipermeável, de modo que a água doce possa ser separada da água salgada. Esse fenômeno é o oposto do fenômeno de permeabilidade, sendo chamado de fenômeno de permeabilidade reversa.
Assim, a base do sistema de dessalinização por osmose reversa é
(1) A permeabilidade seletiva da membrana semipermeável, isto é, permite seletivamente a passagem de água, mas não permite a passagem de sal;
(2) A pressão externa da câmara salina é maior que a pressão osmótica da câmara salina e da câmara de água doce, o que fornece a força motriz para a água se mover da câmara salina para a câmara de água doce. As pressões osmóticas típicas para algumas soluções são mostradas na tabela abaixo.
A membrana semipermeável acima, usada para separar água doce de água salgada, é chamada de membrana de osmose reversa. A membrana de osmose reversa é geralmente feita de materiais poliméricos. Atualmente, a membrana de osmose reversa usada em usinas termelétricas é feita principalmente de materiais compósitos de poliamida aromática.
A osmose reversa (OR) é uma tecnologia de separação e filtração por membrana que utiliza a diferença de pressão. O tamanho dos poros é tão pequeno quanto o de um nanômetro (1 nanômetro = 10⁻⁹ metros). Sob uma determinada pressão, as moléculas de H₂O podem passar pela membrana de OR. Sais inorgânicos, íons de metais pesados, matéria orgânica, coloides, bactérias, vírus e outras impurezas presentes na água de origem não conseguem atravessá-la, permitindo distinguir com precisão a água pura (que passa pela membrana) da água concentrada (que não passa).
Em aplicações industriais, as plantas de osmose reversa utilizam equipamentos especializados para facilitar o processo de osmose reversa. Os sistemas industriais de osmose reversa são projetados para tratar grandes volumes de água e são utilizados em diversos setores, incluindo agricultura, indústria farmacêutica e manufatura. Os equipamentos utilizados nesses sistemas são especificamente projetados para garantir que o processo de osmose reversa seja eficiente e eficaz na produção de água doce a partir de fontes de água salgada.
O processo de osmose reversa é uma tecnologia importante para a dessalinização da água do mar, capaz de fornecer água doce a áreas onde a água é escassa ou onde as fontes tradicionais estão poluídas. Com o avanço dos equipamentos e da tecnologia de osmose reversa, o processo continua sendo uma solução fundamental para a escassez de água e os problemas de qualidade hídrica em todo o mundo.
Principais características da membrana de osmose reversa:
Direcionalidade e características de separação da separação por membrana
A membrana de osmose reversa prática é uma membrana assimétrica, composta por uma camada superficial e uma camada de suporte, apresentando direcionalidade e seletividade bem definidas. A direcionalidade se dá quando a superfície da membrana é imersa em salmoura sob alta pressão para a dessalinização; a pressão aumenta a permeabilidade da membrana à água, elevando também a taxa de dessalinização. Já quando a camada de suporte da membrana é imersa em salmoura sob alta pressão, a taxa de dessalinização é praticamente nula com o aumento da pressão, mas a permeabilidade à água aumenta significativamente. Devido a essa direcionalidade, a membrana não pode ser utilizada em sentido inverso.
As características de separação da osmose reversa para íons e matéria orgânica na água não são as mesmas, podendo ser resumidas da seguinte forma:
(1) A matéria orgânica é mais fácil de separar do que a matéria inorgânica.
(2) Os eletrólitos são mais fáceis de separar do que os não eletrólitos. Os eletrólitos com cargas elevadas são mais fáceis de separar e as suas taxas de remoção são geralmente na seguinte ordem: Fe3+> Ca2+> Na+ PO43-> SO42-> C | - para o eletrólito, quanto maior a molécula, mais fácil de remover.
(3) A taxa de remoção de íons inorgânicos está relacionada ao hidrato e ao raio dos íons hidratados no estado de hidratação do íon. Quanto maior o raio do íon hidratado, mais fácil é sua remoção. A ordem da taxa de remoção é a seguinte:
Mg2+, Ca2+> Li+ > Na+ > K+; F-> C|-> Br-> NO3-
(4) Regras de separação da matéria orgânica polar:
Aldeído > Álcool > Amina > Ácido, amina terciária > Amina secundária > Amina primária, ácido cítrico > Ácido tartárico > Ácido málico > Ácido lático > Ácido acético
Os recentes avanços no tratamento de gases residuais representam um progresso significativo no enfrentamento dos desafios ambientais, ao mesmo tempo que oferecem oportunidades para que as empresas prosperem de forma sustentável e ambientalmente correta. Essa solução inovadora certamente terá um impacto positivo nos campos do tratamento de gases residuais e da proteção ambiental, com sua promessa de alta eficiência, baixos custos operacionais e zero poluição secundária.
(5) Pares de isômeros: tert- > Diferente (iso-) > Zhong (sec-) > Original (pri-)
(6) O desempenho da separação de sais de sódio da matéria orgânica é bom, enquanto o fenol e os organismos produtores de fenol apresentam separação negativa. Quando soluções aquosas de solutos orgânicos polares ou apolares, dissociados ou não dissociados, são separadas por membrana, as forças de interação entre soluto, solvente e membrana determinam a permeabilidade seletiva da membrana. Esses efeitos incluem força eletrostática, força de ligação de hidrogênio, hidrofobicidade e transferência de elétrons.
(7) Geralmente, os solutos têm pouca influência nas propriedades físicas ou nas propriedades de transferência da membrana. Apenas o fenol ou alguns compostos orgânicos de baixo peso molecular farão com que o acetato de celulose se expanda em solução aquosa. A presença desses componentes geralmente fará com que o fluxo de água da membrana diminua, às vezes bastante.
(8) O efeito de remoção de nitrato, perclorato, cianeto e tiocianato não é tão bom quanto o cloreto, e o efeito de remoção do sal de amônio não é tão bom quanto o sal de sódio.
(9) A maioria dos componentes com massa molecular relativa superior a 150, sejam eletrólitos ou não eletrólitos, podem ser bem removidos.
Além disso, a ordem de separação da membrana de osmose reversa para hidrocarbonetos aromáticos, cicloalcanos, alcanos e cloreto de sódio é diferente.
(2) Bomba de alta pressão
No funcionamento da membrana de osmose reversa, a água precisa ser bombeada até a pressão especificada por uma bomba de alta pressão para completar o processo de dessalinização. Atualmente, as bombas de alta pressão utilizadas em usinas termelétricas podem ser centrífugas, de pistão, de parafuso, entre outras. Dentre elas, a bomba centrífuga multiestágios é a mais utilizada. Ela pode atingir uma eficiência superior a 90% e economizar energia. Esse tipo de bomba se caracteriza pela alta eficiência.
(3) Ontologia da osmose reversa
O corpo de osmose reversa é uma unidade combinada de tratamento de água que integra e conecta os componentes da membrana de osmose reversa com tubulações em uma determinada disposição. Uma única membrana de osmose reversa é chamada de elemento de membrana. Um número determinado de componentes de membrana de osmose reversa são conectados em série de acordo com certos requisitos técnicos e montados com um invólucro de membrana de osmose reversa para formar um elemento de membrana.
1. Elemento de membrana
Elemento de membrana de osmose reversa: Uma unidade básica composta por membrana de osmose reversa e material de suporte, com função de uso industrial. Atualmente, os elementos de membrana em espiral são utilizados principalmente em usinas termelétricas.
Atualmente, diversos fabricantes de membranas produzem uma variedade de componentes de membrana para diferentes usuários industriais. Os elementos de membrana aplicados em usinas termelétricas podem ser divididos, de forma geral, em: elementos de membrana de osmose reversa para dessalinização de água do mar em alta pressão; elementos de membrana de osmose reversa para dessalinização de água salobra em baixa e ultrabaixa pressão; e elementos de membrana anti-incrustantes.
Os requisitos básicos para elementos de membrana são:
A. Densidade de empacotamento do filme o mais alta possível.
B. Não é fácil polarizar por concentração.
C. Forte capacidade antipoluição
D. É conveniente limpar e substituir a membrana.
E. O preço é barato
2. Revestimento membranoso
O recipiente de pressão usado para carregar o elemento de membrana de osmose reversa no aparelho de osmose reversa é chamado de invólucro da membrana, também conhecido como "recipiente de pressão". Sua fabricação é feita pela Haide Energy, e cada recipiente de pressão tem cerca de 7 metros de comprimento.
A carcaça do revestimento de filme plástico é geralmente feita de tecido plástico reforçado com fibra de vidro epóxi, e o revestimento externo é feito com tinta epóxi. Existem também fabricantes de produtos com revestimento de filme plástico em aço inoxidável. Devido à alta resistência à corrosão do PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro), a maioria das usinas termelétricas opta por revestimentos de filme plástico em PRFV. O material do vaso de pressão é o PRFV.
Fatores que afetam o desempenho do sistema de tratamento de água por osmose reversa:
Para condições específicas do sistema, o fluxo de água e a taxa de dessalinização são características da membrana de osmose reversa, e muitos fatores afetam o fluxo de água e a taxa de dessalinização do corpo de osmose reversa, incluindo principalmente pressão, temperatura, taxa de recuperação, salinidade da água de entrada e valor de pH.
(1) Efeito da pressão
A pressão de entrada da membrana de osmose reversa afeta diretamente o fluxo da membrana e a taxa de dessalinização. O aumento do fluxo da membrana apresenta uma relação linear com a pressão de entrada. A taxa de dessalinização também apresenta uma relação linear com a pressão de entrada, mas, quando a pressão atinge um determinado valor, a curva de variação da taxa de dessalinização tende a se estabilizar e a taxa de dessalinização deixa de aumentar.
(2) Efeito da temperatura
A taxa de dessalinização diminui com o aumento da temperatura de entrada na osmose reversa. No entanto, o fluxo de água produzida aumenta quase linearmente. A principal razão é que, com o aumento da temperatura, a viscosidade das moléculas de água diminui e a capacidade de difusão aumenta, resultando em um maior fluxo de água. Com o aumento da temperatura, a taxa de passagem do sal pela membrana de osmose reversa acelera, reduzindo a taxa de dessalinização. A temperatura da água bruta é um importante índice de referência para o projeto de sistemas de osmose reversa. Por exemplo, quando uma usina elétrica passa por uma transformação tecnológica na engenharia de osmose reversa, a temperatura da água bruta no projeto é calculada em 25 °C, e a pressão de entrada calculada é de 1,6 MPa. No entanto, a temperatura da água na operação real do sistema é de apenas 8 °C, e a pressão de entrada precisa ser aumentada para 2,0 MPa para garantir a vazão de água doce projetada. Como resultado, o consumo de energia da operação do sistema aumenta, a vida útil do anel de vedação interno do componente de membrana do dispositivo de osmose reversa é reduzida e a necessidade de manutenção do equipamento aumenta.
(3) Efeito do teor de sal
A concentração de sal na água é um índice importante que afeta a pressão osmótica da membrana, e esta aumenta com o aumento do teor de sal. Considerando que a pressão de entrada na osmose reversa permanece constante, o aumento do teor de sal na água de entrada resulta em uma redução da pressão osmótica, o que compensa parte da força de entrada, diminuindo o fluxo e, consequentemente, a taxa de dessalinização.
(4) A influência da taxa de recuperação
O aumento na taxa de recuperação do sistema de osmose reversa leva a um maior teor de sal na água de entrada do elemento de membrana ao longo da direção do fluxo, resultando em um aumento na pressão osmótica. Isso contrabalança o efeito da pressão da água de entrada na osmose reversa, reduzindo assim o fluxo de água produzida. O aumento do teor de sal na água de entrada do elemento de membrana leva ao aumento do teor de sal na água doce, reduzindo assim a taxa de dessalinização. No projeto do sistema, a taxa máxima de recuperação do sistema de osmose reversa não depende da limitação da pressão osmótica, mas frequentemente depende da composição e do teor de sal na água bruta, pois com a melhoria da taxa de recuperação, sais microssolúveis, como carbonato de cálcio, sulfato de cálcio e silício, podem se depositar durante o processo de concentração.
(5) A influência do valor do pH
A faixa de pH aplicável a diferentes tipos de elementos de membrana varia bastante. Por exemplo, o fluxo de água e a taxa de dessalinização da membrana de acetato tendem a ser estáveis na faixa de pH 4-8, sendo bastante afetados em valores abaixo de 4 ou acima de 8. Atualmente, a grande maioria dos materiais de membrana utilizados no tratamento de água industrial são materiais compósitos, que se adaptam a uma ampla faixa de pH (o valor de pH pode ser controlado na faixa de 3 a 10 em operação contínua, e o fluxo de membrana e a taxa de dessalinização nessa faixa são relativamente estáveis).
Método de pré-tratamento da membrana de osmose reversa:
A filtração por membrana de osmose reversa difere da filtração por leito filtrante, na qual a filtração é completa, ou seja, toda a água bruta passa pela camada filtrante. A filtração por membrana de osmose reversa é um método de filtração de fluxo cruzado, ou seja, parte da água bruta passa pela membrana na direção perpendicular a ela. Nesse processo, sais e diversos poluentes são retidos pela membrana e arrastados pela parte restante da água bruta que flui paralelamente à superfície da membrana, porém os poluentes não são completamente removidos. Com o tempo, os poluentes residuais podem causar contaminação da membrana. E quanto maior a concentração de poluentes na água bruta e a taxa de recuperação, mais rápida será a contaminação da membrana.
1. Controle de escala
Quando os sais insolúveis na água bruta se concentram continuamente no elemento de membrana e excedem seu limite de solubilidade, eles precipitam na superfície da membrana de osmose reversa, um fenômeno conhecido como "incrustação". À medida que a taxa de recuperação do sistema de osmose reversa aumenta, o risco de incrustação também aumenta. Atualmente, é comum aumentar as taxas de reciclagem devido à escassez de água ou aos impactos ambientais do descarte de efluentes. Nesse caso, medidas de controle de incrustação bem planejadas são particularmente importantes. Em sistemas de osmose reversa, os sais refratários comuns são CaCO3, CaSO4 e SiO2, e outros compostos que podem formar incrustações incluem CaF2, BaSO4, SrSO4 e Ca3(PO4)2. O método comum de inibição de incrustação é a adição de inibidores. Os inibidores de incrustação utilizados em minha oficina são o Nalco PC191 e o Europe and America NP200.
2. Controle da contaminação por partículas coloidais e sólidas
A incrustação por coloides e partículas pode afetar seriamente o desempenho dos elementos da membrana de osmose reversa, causando, por exemplo, uma redução significativa na produção de água doce e, às vezes, também na taxa de dessalinização. O sintoma inicial da incrustação por coloides e partículas é o aumento da diferença de pressão entre a entrada e a saída dos componentes da membrana de osmose reversa.
A maneira mais comum de avaliar os coloides e partículas na água presente nos elementos da membrana de osmose reversa é medir o valor SDI da água, também chamado de valor F (índice de poluição), que é um dos indicadores importantes para monitorar o funcionamento do sistema de pré-tratamento por osmose reversa.
O SDI (Índice de Densidade de Silt) é a variação da velocidade de filtração da água por unidade de tempo, indicando o grau de poluição da água. A quantidade de coloides e partículas em suspensão na água influencia o valor do SDI. O valor do SDI pode ser determinado por um instrumento específico.
3. Controle da contaminação microbiana da membrana
Os microrganismos presentes na água bruta incluem principalmente bactérias, algas, fungos, vírus e outros organismos superiores. No processo de osmose reversa, os microrganismos e os nutrientes dissolvidos na água são continuamente concentrados e enriquecidos no elemento de membrana, criando o ambiente ideal para a formação de biofilme. A contaminação biológica dos componentes da membrana de osmose reversa afeta seriamente o desempenho do sistema. A diferença de pressão entre a entrada e a saída dos componentes da osmose reversa aumenta rapidamente, resultando na diminuição da produção de água pelos componentes da membrana. Às vezes, a contaminação biológica ocorre no lado da produção de água, contaminando a água tratada. Por exemplo, na manutenção de equipamentos de osmose reversa em algumas usinas termelétricas, observa-se a presença de musgo verde nos elementos de membrana e nas tubulações de água doce, o que é um sinal típico de contaminação microbiana.
Uma vez que o elemento de membrana é contaminado por microrganismos e forma biofilme, sua limpeza torna-se muito difícil. Além disso, biofilmes que não são completamente removidos causam o rápido crescimento de novos microrganismos. Portanto, o controle de microrganismos é uma das tarefas mais importantes do pré-tratamento, especialmente em sistemas de osmose reversa que utilizam água do mar, água superficial e efluentes como fontes de água.
Os principais métodos para prevenir a proliferação de microrganismos nas membranas são: tratamento com cloro, microfiltração ou ultrafiltração, oxidação com ozônio, esterilização ultravioleta e adição de bissulfito de sódio. Os métodos mais comuns em sistemas de tratamento de água em usinas termelétricas são a esterilização por cloração e a tecnologia de tratamento de água por ultrafiltração antes da osmose reversa.
Como agente esterilizante, o cloro é capaz de inativar rapidamente muitos microrganismos patogênicos. A eficácia do cloro depende da sua concentração, do pH da água e do tempo de contato. Em aplicações de engenharia, o cloro residual na água é geralmente controlado entre 0,5 e 1,0 mg, e o tempo de reação é controlado entre 20 e 30 minutos. A dosagem de cloro precisa ser determinada por meio de ajustes, pois a matéria orgânica presente na água também consome cloro. O pH ideal para esterilização com cloro situa-se entre 4 e 6.
O uso da cloração em sistemas de água do mar difere do uso em água salobra. Normalmente, a água do mar contém cerca de 65 mg de bromo. Quando a água do mar é tratada quimicamente com hidrogênio, ela reage primeiro com o ácido hipocloroso para formar ácido hipobromoso, de modo que seu efeito bactericida é o do ácido hipobromoso, e não o do ácido hipocloroso, e este último não se decompõe em valores de pH mais elevados. Portanto, o efeito da cloração é melhor do que em água salobra.
Devido às exigências específicas do elemento de membrana do material compósito em relação ao cloro residual na água, é necessário realizar um tratamento de redução de cloro após a esterilização com cloro.
4. Controle da poluição orgânica
A adsorção de matéria orgânica na superfície da membrana causará a diminuição do fluxo da membrana e, em casos graves, provocará perda irreversível do fluxo da membrana, afetando a vida útil da mesma.
Para águas superficiais, a maior parte da água é composta por produtos naturais. Através de um processo combinado de clarificação por coagulação, filtração por coagulação DC e filtração por carvão ativado, é possível reduzir significativamente a matéria orgânica na água, atendendo aos requisitos para água de osmose reversa.
5. Controle de polarização de concentração
No processo de osmose reversa, por vezes ocorre um elevado gradiente de concentração entre a água concentrada na superfície da membrana e a água de entrada, um fenômeno denominado polarização de concentração. Quando isso acontece, forma-se uma camada relativamente alta e estável, denominada "camada crítica", na superfície da membrana, o que dificulta a eficácia do processo de osmose reversa. Isso ocorre porque a polarização de concentração aumenta a pressão permeável da solução na superfície da membrana, reduzindo a força motriz do processo de osmose reversa e, consequentemente, a produção de água e a taxa de dessalinização. Quando a polarização de concentração é severa, alguns sais pouco dissolvidos precipitam e formam incrustações na superfície da membrana. Para evitar a polarização de concentração, o método mais eficaz consiste em manter o fluxo de água concentrada em estado turbulento, ou seja, aumentar a vazão de entrada para aumentar a vazão de água concentrada, de modo a reduzir ao mínimo a concentração de sais microdissolvidos na superfície da membrana. Além disso, após o desligamento do aparelho de tratamento de água por osmose reversa, a água concentrada no lado do reservatório de água concentrada substituída deve ser lavada imediatamente.
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