Novas soluções comerciais e tecnologias emergentes prometem benefícios significativos
A busca para otimizar o reúso de água e antecipar as pressões regulatórias está levando muitas plantas a dar uma crescente atenção aos seus efluentes. Para ajudar a lidar com os desafios, especialistas em tratamento de efluentes como a Dow Water & Process Solutions e a Microdyn-Nadir estão introduzindo novas tecnologias. Enquanto isso, pesquisadores nas universidades da Alemanha, Espanha e Singapura estão trabalhando em alternativas potenciais futuras, ampliando as técnicas de separação baseadas em soluções iônicas e membranas biomiméticas.
“Como parte da abordagem de economia circular da DOW de reduzir, reusar e reciclar, nós estamos muito focados no suprimento finito de água. Então nós queremos espremer o máximo possível de toda a água usada pela indústria, incluindo a indústria química”, disse George Barclay, diretor global de P&D da Dow Water & Process Solutions em Edina, Minnesota.
Para fazer isso, a empresa desenvolveu um amplo portfólio de tecnologias de tratamento indo desde a filtração mecânica para sólidos suspensos, ultrafiltração pressurizada (UF) para macromoléculas e bactérias, nanofiltração (NF) para a separação de íons mono e bivalentes e moléculas muito pequenas até separações mais rigorosas por osmose reversa (OR) e resinas de troca iônica (IX).
“Contudo, não há uma que sirva para tudo. Você deve projetar as soluções para efluentes diferentes: contaminantes diferentes precisam de diferentes conjuntos de tecnologias. O desafio para a indústria química é aumentar a recuperação de água e assegurar a confiabilidade do tratamento”, ele acrescentou.
Foto: Dow Water & Process Solutions
Abordagem de descarga mínima de líquido
Uma maneira pela qual a DOW vem ajudando neste ponto é a sua abordagem de descarga mínima de líquido, que foca na redução do custo da concentração de salmoura e maximização da recuperação de água. Isso é particularmente importante na China, onde a indústria química opera no Norte mais árido e a pressão para usar água com a maior moderação possível é grande. Lá, a concentração da salmoura antes da cristalização normalmente depende da recompressão mecânica a vapor e evaporadores.
“O acréscimo da OR de ultra alta pressão (UHP) ao processo de filtração por membrana pode reduzir a água que vai para a etapa de evaporação em 50%. Então isso economiza no uso de energia e podemos espremer outros 5% de água para fora do processo”, explicou Barclay.
Outro exemplo é um novo módulo de UF para remoção de partículas (IntegraFlux SFP-2880XP) que é baseado na nova tecnologia de fibra oca feita por um processo de separação de fases por difusão induzida. Esse processo permite controlar com precisão a estrutura do poro da fibra abaixo de 30 nm, permitindo a consistente remoção de bactérias, vírus e turbidez. Além disso, o aumento de vazão, obtido pela modificação das estruturas internas das fibras, diminui a pressão e os custos de energia associados.
Para reduzir a dureza da água e a demanda química de oxigênio (DQO), as plantas tipicamente recorrem às resinas de troca iônica. Aqui, a DOW utilizou novos monômeros para desenvolver uma resina (Amberlite IRC) que, segundo ela, tem maior capacidade de troca (48%) e maior estabilidade do que as opções existentes de IX.
“Como resultado, há menos ciclos de regeneração, o que economiza energia e reduz o uso de químicos, e você ainda pode lidar com águas mais difíceis”, nota Barclay.
Composições mais robustas de membranas
A empresa também oferece novas membranas de separação iônica (Filmtec Fortilife XC-N) para NF. Estas convertem uma boa parte do resíduo de concentrado da OR em soluções salinas purificadas que são mais fáceis para cristalizar e reusar. As membranas supostamente aumentam a permeabilidade e a seletividade iônica; elas fornecem alta passagem de cloreto de sódio e alta rejeição de bivalentes e DQO. O sal então pode ser reusado.
Para ilustrar isso, Barclay cita uma planta na China que produz sulfato férrico como matéria prima para a indústria de baterias de íon de lítio. O processo produtivo gera uma grande quantidade de efluentes de baixo pH contendo altas concentrações de nitrato de amônia e sulfato de amônia – nenhum dos quais pode ser descartado.
“Aqui desenvolvemos um processo inovador baseado na tecnologia de OR, incluindo OR UHP, para recuperar e concentrar os compostos de amônia do efluente da produção como um valioso fertilizante químico e, simultaneamente, reusar a água purificada como água de processo”.
A empresa está trabalhando em novas composições mais robustas de membranas que irão trabalhar em ambiente agressivo, como por exemplo em pH muito baixo ou muito alto e na presença de solventes orgânicos. Isso, nota Braclay, permitirá à indústria química separar e recuperar materiais adicionais da sua corrente de efluentes.
A DOW também está desenvolvendo novas tecnologias na linha da separação molecular. Também, preencheu um vazio no seu portfólio – tratamento secundário biológico de efluentes – com um investimento na Oxymem em Dublin, Irlanda. Essa empresa usa a nova tecnologia reator de biofilme aerado em membrana (MABR) que supõe reduzir o consumo de energia de 60 a 70%.
Adicionalmente, a DOW planeja lançar um software que facilita a escolha da tecnologia de tratamento mais apropriada.
“No momento existem múltiplas opções de softwares para modelar cada componente, por exemplo IX, UF, OR, NF, etc. Pela primeira vez, combinamos todos eles em uma única solução. Então a empresa entra com os dados da corrente de água e seleciona o que quer obter. O software fornece as melhores tecnologias e processos para atingir o resultado. Foi uma versão beta testada por 300 empresas com resultado muito positivo”, disse Barclay.
Combinando tecnologias
Enquanto isso, o último resultado do relacionamento de 14 anos entre a Microdyn-Nadir, Wiesbaden, Alemanha, e a Huber, Berching, Alemanha, é um novo biorreator a membrana (MBR) que as empresas saúdam como revolucionário – reivindicando que oferece menor custo de operação e investimento e também um aumento na confiabilidade e densidade de empacotamento. Ele integra a nova tecnologia de membrana laminada Bio-Cel da Microdyn-Nadir com o sistema de tratamento de membrana rotativa VRM da Huber.
O sistema VRM consta de segmentos de membrana trapezoidal instalados em volta de uma haste oca que ficam mergulhados no lodo ativado e giram em meio a um fluxo de ar cruzado para flushing, e é acionado por motor e transmissão. O laminado Bio-Cel substitui a usual membrana de folha plana. Bio-Cel é uma folha oca, não a tradicional fibra oca ou placa. É retrolavável como um módulo de fibra oca. Problemas tais como entupimento da fibra não ocorrem, dizem as empresas. Um novo processo de limpeza mecânica reduz o custo, elimina a necessidade de tempo de parada para limpeza intensiva e mantém a permeabilidade da fibra estável, elas acrescentam.
Foto: Microdyn-Nadir
Outro desenvolvimento é o mecanismo de auto reparo.
“Essa é a nossa oferta exclusiva e um grande diferencial já que a nossa tecnologia de laminado permite que uma membrana danificada mantenha a qualidade do efluente”, nota Julian Klein, gerente de produto da Microdyn-Nadir.
A empresa está conduzindo testes da sua nova tecnologia MBR na planta piloto de tratamento de efluentes em Huenxe, Alemanha. Aquela instalação visa a remoção de micro poluentes, especificamente micro plásticos e germes multirresistentes.
“ Hoje, a maneira mais comum de eliminar contaminantes micro poluentes é adicionar carvão ativado na água clarificada e então filtrar usando um filtro de areia. Porém, o filtro de areia não rejeita os micro plásticos e os germes multirresistentes”, Klein explica. “Nesse teste estamos usando carvão ativado e duas membranas laminadas de 25 m2 em cada um dos dois módulos. O laminado é feito de polietersulfona com um tamanho de poro de 0,04 µm. Seis meses e os resultados são muito promissores”.
“O projeto no momento passa por uma avaliação cuidadosa para determinar o tamanho e escala da próxima fase de testes”, ele acrescenta.
Maiores restrições
A Microdyn-Nadir também está conduzindo testes de MBR com a empresa de tratamento de água Ovivo, em Austin no Texas. Esses focam o tratamento de efluentes municipais.
“Eles usaram uma outra tecnologia de MBR no passado, mas a nossa tem uma pegada menor e menor demanda de energia”, disse Klein. Esses dois benefícios serão muito importantes no futuro já que os sistemas MBR promovem a otimização das tecnologias de aeração e promovem a redução do uso de energia e, portanto, do custo, ele acredita: “Os sistemas MBR são mais espaço eficientes do que as plantas de tratamento convencionais, o que é especialmente importante para as aplicações químicas que requerem um projeto compacto”.
Nos próximos cinco a dez anos, ele prevê restrições mais apertadas no tratamento de efluentes. Ele espera que isso conduza diretamente ao tratamento de efluentes por MBR, substituindo métodos existentes tais como ozônio e ultravioleta – um desenvolvimento que envolveria módulos de membranas totalmente diferentes daqueles disponíveis hoje.
Assim como a DOW, a Microdyn-Nadir ansiosa para se tornar um balcão único para todos os produtos de filtração por membranas e, em setembro passado, comprou a empresa especialista em membranas Trisep, em Goleta na Califórnia. A Trisep foca há muito tempo as tecnologias de OR e NF, em particular para aplicações em nichos.
Compósitos customizáveis
Simultaneamente, pesquisadores nas universidades de Ulm na Alemanha e Zaragoza na Espanha estão avançando com o desenvolvimento de materiais do tipo Líquidos Iônicos Suportados (SILP) baseados em polioxometalato (POM). Estes novos materiais compósitos multifuncionais removem impurezas inorgânicas, orgânicas, radioativas e microbiais da água.
Foto: Instituto de Química Inorgânica da Universidade de Ulm
Os POM são clusters de átomos de oxigênio unidos a metais de transição em uma rede 3D. Usando ânions de polioxotungstato que capturam metais pesados e cátions de tetraalquilamônio antimicróbico, uma equipe das duas universidades desenvolveu líquidos iônicos que são hidrofóbicos, imiscíveis em água e que formam camadas finas estáveis nas superfícies do POM.
Os pesquisadores esperam que o seu novo material filtrante POM-SILP formará a base para o desenvolvimento de sistemas de filtração projetados quimicamente para contaminantes específicos, que podem ser usados para a purificação confiável da água, especialmente após acidentes químicos e desastres naturais.
“Os POMs têm a vantagem de podermos talhá-los no nível molecular para necessidades específicas, i.e., podemos projetar o número e o tamanho dos locais de captura e regular os POMs, por exemplo, para a captura de metais pesados ou rejeitos nucleares como urânio ou tório / plutônio. Outras opções também são possíveis”, explica Carsten Streb do Instituto de Química Inorgânica da Universidade de Ulm.
“A regulagem é possível pela modificação química de cada componente. A melhor coisa é que podemos regular independentemente cátions e ânions e assim introduzir duas funcionalidades ao mesmo tempo. Usamos isso, por exemplo, para otimizar os SILPs para diferentes tipos de micróbios, diferentes tipos de metais pesados tóxicos e também para a captura de farmacêuticos persistentes, os quais são mais e mais encontrados na água potável do mundo desenvolvido”, ele acrescenta.
Além de tratar diversos contaminantes típicos de uma vez, o sistema supostamente não requer infraestrutura e nem conhecimento especializado para ser instalado – mantendo os custos baixos comparados com as outras tecnologias.
“Os grandes benefícios que eu vejo para o sistema são em termos de suprimento descentralizado de água e situações de emergência, por exemplo derramamento de químicos ou catástrofes ambientais”.
A equipe de Streb atualmente está buscando partir para um teste piloto que possa lidar com vários litros de água; também estão discutindo com um fabricante de filtros de água a realização de um estudo em conjunto.
Membrana Biomimética
Enquanto isso, pesquisadores do departamento de engenharia química e biomolecular da Universidade Nacional de Singapura estão obtendo sucesso na melhoria da performance da sua tecnologia de membrana biomimética, cujos detalhes surgiram primeiramente em 2016.
A membrana usa os mesmos canais de água, conhecidos como aquaporinas, que são encontrados em todos os seres vivos de bactérias a rins. As aquaporinas são proteínas de membrana que conduzem seletivamente moléculas de água para dentro e para fora das células, impedindo a passagem de íons e outros solutos.
As aquaporinas são colocadas em membranas de polímero para funcionar como canais, permitindo que passe somente a água, rapidamente, a baixa pressão e com baixo requisito de energia.
“Nós refinamos mais a membrana biomimética e aumentamos a sua performance desde então. Nós melhoramos a permeabilidade da membrana – em termos de fluxo de água pura, agora é até quatro vezes maior do que o padrão comercial existente”, nota o pesquisador principal Tong Yen Wah.
“Usando um sistema com dois passos, aumentamos com sucesso a rejeição total de sal de 61% para o cloreto de sódio e 75% para o cloreto de magnésio inicialmente para 95% agora para ambos – o que corresponde aos requisitos da indústria”, ele acrescenta.
Enquanto outras membranas biomiméticas tendem a ser bem frágeis, os pesquisadores notam, a sua membrana exibe alta resistência mecânica e estabilidade durante o processo de filtração de água.
Essa resistência torna a membrana adequada para as aplicações industriais em tratamento de água e também com o potencial de fornecer água potável ao público com baixo custo – até 30% menor, eles acreditam.
Tong confirma que os pesquisadores estão com discussões em andamento com uma empresa baseada nos Estados Unidos para desenvolver um módulo em escala piloto que testará a viabilidade das membranas pelos próximos dois anos.
“A equipe está comprometida com o avanço dessa pesquisa”, ele acrescenta.
Nota: artigo de autoria de Seán Ottewell, Editor da Chemical Processing.
Fonte: Chemical Processing, adaptado por Portal Tratamento de Água
