A Separação de Misturas

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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.

Atentando-se ao fato da Osmose Reversa acontecer pela diferença de pressão hidráulica, podemos realizar uma análise meticulosa do que acontece para que esse fluxo de solvente na solução ocorra ao sentido contrário do convencional

Ao colocarmos uma membrana semipermeável separando uma solução de certo soluto de uma solução pura ou de menor concentração, ocorrerá com certeza, o fluxo do solvente da região menos concentrada para a mais concentrada. Esse fluxo é devido à queda de potencial químico gerada pela presença do soluto na solução, o que provoca um gradiente de potencial químico entre os lados da membrana, e continua neste sentido até que o equilíbrio seja estabelecido.

Este equilíbrio será atingido no exato momento em que a queda de potencial químico provocada pela presença do soluto no solvente se igualar ao aumento de pressão do sistema devido a este deslocamento (∆π).

Portanto, para realizar a osmose reversa, basta aplicar uma diferença de pressão ∆P > ∆π, permitindo que o potencial químico do solvente na solução mais concentrada seja maior que da solução menos concentrada. Com isto, o sentido do fluxo de solvente se inverte (o solvente escoa do lado mais concentrado para o menos).

A eficiência termodinâmica de uma tarefa de separação pode ser determinada ao se comparar o trabalho realizado realmente com o trabalho mínimo necessário para realizar a mesma separação. E este trabalho mínimo é obtido ao se realizar a tarefa de uma maneira reversível. Portanto, calcula-se, para um gás, este trabalho da seguinte forma:

[pic 4]

Onde Wmin é o trabalho mínimo necessário para a separação, R é a constante para o gases, T é a temperatura ambiente, n1 é o número de moles, x1 é a fração molar do componente i na mistura original.

Sendo Wv o trabalho verdadeiro realizado no processo de separação, então a eficiência é dada por:

η = Wmin/Wv

Funcionamento dos módulos nos processos com membranas

A escolha das membranas e o dimensionamento de uma instalação podem variar consideravelmente de uma aplicação à outra. O cálculo de uma instalação se faz a partir de uma unidade de base que é o módulo. Um número apropriado de módulos pode ser colocado em série ou em paralelo para constituir uma etapa de filtração.

A superfície total da membrana se obtém em uma ou várias etapas, segundo as necessidades. O modo de funcionamento nas aplicações industriais é a filtração tangencial, deixando a filtração frontal para aplicações de laboratório.

Equipamento de Osmose Reversa

[pic 5]

Modos de funcionamento dos módulos de filtração tangencial

A filtração tangencial está destinada a diminuir os fenômenos de polarização, de concentração e de tamponamento, que sempre estão presentes quando se trabalha com fluidos reais. Deste ponto de visto, o parâmetro hidrodinâmico mais importante é a velocidade tangencial do fluido sobre a membrana, neste tipo de processo. Vários modos de funcionamento são possíveis na filtração tangencial:

- Fluxo de alimentação e permeado circulando em co-corrente;

- Fluxo de alimentação e permeado em contracorrente;

- Fluxo de alimentação tangencial com a evacuação do permeado de forma perpendicular a membrana;

- Agitação perfeita da alimentação e do permeado de um lado e do outro da membrana.

Vantagens do uso das membranas seletivas

- Economia de Energia: Os processos de separação por membranas (PSM) ocorrem sem que haja mudança de fase, tornando-se uma ótima opção, pois são processos favoráveis em termos de energia;

- Seletividade: Em certos processos, é a única opção palpável para realização;

- Separação de compostos termolábeis: Como a maioria dos PSM são realizados à temperatura ambiente, estes podem ser aplicado à separação de misturas que contém substâncias sensíveis a mudanças de temperatura (Ex: indústria farmacêutica, de alimentos e na biotecnologia);

- Simplicidade de operação e Escalonamento: Apresentam a vantagem de serem extremamente simples do ponto de vista operacional e de escalonamento (scale up), pois os sistemas são modulares e os dados para o dimensionamento de uma planta podem ser obtidos a partir