Dessalinização da água através de um processo híbrido - Permuta iónica-Nanofiltração

Abstract

The main goal of this work was to study a treatment system based on the integration of the ion-exchange and nanofiltration processes to produce potable water, as an attractive option to tackle some disadvantages associated with the high power consumption of different desalination processes currently on the market (Thermal Processes and Reverse Osmosis). At an experimental level, firstly, this work involved equilibrium studies for the system Cl-/SO42- using an anionic resin, Purolite A850 in the chloride form. Secondly, the selective separation of ions Cl-, SO42-, Ca2+ e Na+ using nanofiltration tests was assessed. In addition, the work aimed to develop a computer tool programmed in Matlab to simulate the cyclic regime dynamics of adsorption/desorption, in a fixed-bed column, by using the experimental results obtained by Gaspar (2014).The experimental results obtained from equilibrium studies, where several sodium sulfate concentrations were tested, enabled to conclude that the affinity of the resin for SO42 -ion is favored at high concentrations of Na2SO4 (0.5 mol/L) being the average separation factor, a ¯, of 1.38. At low concentrations of Na2SO4, the ion-exchange equilibrium isotherms become unfavourable, meaning lower affinity of the resin for sulfate ion. For initial Na2SO4 concentrations of 0.02, 0.05 and 0.2 mol/L, a ¯ values of 0.13, 0.20 and 0.54, respectively, were found. The behavior of the ion-exchange system Cl-/SO42- under study was considered not ideal since the separation factor depends on the total salt concentration. Regarding the nanofiltration studies, experimental tests based on two-level factorial designs with 4 and 2 factors were performed using the membranes SelRo MPF-34 and TS80, respectively. For the membrane MPF-34, the most significant factors on the removal efficiencies of SO42- and Ca2+ are the chloride concentration and initial pH. The best results (16% for SO42- and 85% for Ca2+) were obtained for the lowest Cl- concentration (1.4 g/L) and the highest pH value (9). The conditions corresponding to the high level of Cl- concentration (¿ 2.2 g/L) and high level of pH (9) enabled to achieve the best removal of SO42- (97 %), in the case of tests carried out with the membrane TS80. This membrane is the most appropriate to desalinate the solution pretreated by the resin (Purolite A850) in the sulfate form.With respect to dynamic simulation of the ion-exchange process Cl-/SO42- under different operating conditions, it was observed that the concentration profiles of Cl- and SO42- were satisfactorily predicted by the mathematical model based on the LDF (Linear Driving Force) approximation for the description of intraparticle mass transfer.Overall, the integration of the ion exchange and nanofiltration processes suggests good future perspectives to the development of this technology as a water desalination technique.

O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo de um sistema de tratamento baseado nos processos de permuta iónica e nanofiltração para produzir água potável, como uma opção atrativa para colmatar as desvantagens associadas ao elevado consumo energético dos diversos processos de dessalinização existentes atualmente no mercado (processos térmicos e osmose inversa).A nível experimental, o presente trabalho envolveu, numa primeira fase a realização de ensaios de equilíbrio de permuta iónica com o objetivo de avaliar o sistema Cl-/SO42-, utilizando a resina aniónica, Purolite A850 na forma Cl-. Numa segunda fase, estudou-se a separação seletiva de iões Cl-, SO42-, Ca2+ e Na+ por nanofiltração. Adicionalmente, o trabalho teve também como objetivo desenvolver uma ferramenta computacional em Matlab para simular a dinâmica do regime cíclico de adsorção/dessorção, em coluna de leito fixo, utilizando resultados experimentais obtidos por Gaspar (2014).Os resultados experimentais dos ensaios de equilíbrio de permuta iónica, em que se testaram várias concentrações de Na2SO4, permitiram concluir que a afinidade da resina pelo ião SO42- é favorecida para elevadas concentrações de Na2SO4 (0,5 mol/L), obtendo-se um fator de separação médio, a ¯, de 1,38. A baixas concentrações de Na2SO4, as isotérmicas de permuta iónica tornam-se desfavoráveis o que significa menor afinidade da resina pelo ião sulfato. Para concentrações iniciais de sulfato de sódio de 0,02, 0,05 e 0,02 mol/ obtiveram-se valores de a ¯ de 0,13, 0,20 e 0,54, respetivamente. O comportamento do sistema (Cl-/SO42-) em estudo foi considerado não ideal porque o fator de separação depende da concentração total da solução.Ao nível do estudo do processo de nanofiltração, foram realizados testes experimentais tendo por base planeamentos fatoriais 24 (2 níveis com 4 fatores) e 22 (2 níveis com 2 fatores) para as membranas SelRo MPF-34 e TS80, respetivamente. Para a membrana MPF-34, os fatores mais influentes nas percentagens de remoção de SO42- e Ca2+ são a concentração de cloreto e o pH. Os melhores resultados (16% para SO42- e 85% para Ca2+) foram obtidos para o valor mais baixo da concentração de Cl- (¿ 1,4 g/L) e mais elevado para do pH da solução (9). As condições correspondentes ao nível elevado da concentração Cl- (¿ 2,2 g/L) e nível alto de pH (9), permitiram alcançar a melhor % de remoção de SO42- (97 %), no caso dos ensaios realizados com a membrana TS80. Esta membrana é a mais adequada para dessalinizar a solução previamente tratada pela resina Purolite A850 na forma sulfato.Em relação à simulação da dinâmica do processo de permuta Cl-/SO42- em coluna de leito fixo, verificou-se que os perfis de concentração dos iões Cl- e SO42- foram satisfatoriamente previstos pelo modelo matemático baseado na aproximação LDF (Linear Driving Force) para a descrição da transferência de massa intraparticular.Globalmente, a integração do processo de permuta iónica com a nanofiltração dá bons indícios de perspectivas futuras ao desenvolvimento desta tecnologia como método de dessalinização da água.