Quais são os íons que a membrana de osmose reversa pode passar?

Íons que Podem Passar por Membranas de Osmose Reversa (OR)

1. Princípio Básico das Membranas de Osmose Reversa (OR)

1.1 Permeabilidade Seletiva de Membranas Semi-permeáveis

Como uma membrana semi-permeável, a função primária de uma membrana de osmose reversa (OR) é sua capacidade de separar seletivamente as moléculas de água de outros solutos. O tamanho dos poros de uma membrana de OR normalmente varia de 0,1 nm a 2 nm, o que é significativamente menor do que o tamanho da maioria dos íons e moléculas, impedindo, assim, efetivamente sua passagem. Na prática, as membranas de OR podem bloquear quase completamente sais dissolvidos, colóides, microrganismos e substâncias orgânicas, permitindo apenas a passagem de moléculas de água.

Essa alta seletividade é atribuída aos poros sub-nanométricos dentro das cadeias de poliamida da membrana de OR, que dificultam o transporte de íons em relação às moléculas de água muito menores. Essa permeabilidade seletiva baseada no tamanho é crucial em aplicações de tratamento de água, particularmente na dessalinização da água do mar e na produção de água pura.

Dados mostram que a taxa de rejeição de sal das membranas de OR é geralmente estável em mais de 90%, enquanto os sistemas de OR de dois estágios podem atingir até 98% ou mais. Esse alto desempenho de dessalinização confirma ainda mais a permeabilidade seletiva das membranas de OR. Além disso, as membranas de OR removem efetivamente bactérias, microrganismos, substâncias orgânicas e metais inorgânicos, produzindo uma qualidade de água superior a outros métodos de tratamento.

1.2 Diferença de Pressão como Força Motriz

A operação das membranas de OR depende de uma diferença de pressão como força motriz. Na osmose natural, as moléculas de água passam naturalmente por uma membrana semi-permeável de uma região de baixa concentração para uma região de alta concentração até que o equilíbrio seja atingido. Na osmose reversa, aplicando uma pressão maior que a pressão osmótica no lado de alta concentração, as moléculas de água são forçadas a se mover na direção oposta através da membrana, separando a água pura dos solutos concentrados.

Especificamente, quando a pressão é aplicada a um lado da membrana que excede a pressão osmótica da solução, o solvente (geralmente água) se move em osmose reversa. O lado de baixa pressão coleta o solvente permeado (permeado), enquanto o lado de alta pressão retém a solução concentrada (concentrado). Esse processo impulsionado por pressão torna a tecnologia de OR altamente eficaz para tratar soluções de alta salinidade, como na dessalinização da água do mar e no tratamento de águas residuais.

Na prática, as membranas de OR normalmente operam em pressões em torno de 9–12 kg/cm², e a diferença de pressão antes e depois da membrana geralmente não excede 1 kg/cm². Uma diferença maior pode indicar incrustação ou a necessidade de limpeza. Manter uma diferença de pressão apropriada é essencial para a operação adequada da OR e a longevidade da membrana.

2. Íons que Podem Passar por Membranas de OR

2.1 Permeabilidade das Moléculas de Água

As membranas de OR são projetadas especificamente para permitir que as moléculas de água passem eficientemente, bloqueando moléculas e íons solutos maiores. Uma molécula de água mede aproximadamente 0,324 nm, enquanto os poros das membranas de OR variam de 0,1 nm a 2 nm, permitindo que a água passe com relativa facilidade. A permeabilidade da água é significativamente alta, impulsionada pela diferença de pressão aplicada, permitindo que as moléculas de água fluam na direção inversa da osmose natural.

Dados indicam que a taxa de produção de água de uma membrana de OR depende de seu tamanho de poro e propriedades hidrofílicas. Em condições operacionais padrão, uma membrana de OR pode produzir vários litros de água por centímetro quadrado por hora, dependendo da pressão operacional e das características específicas da membrana. Por exemplo, um modelo de membrana de OR 8040 pode produzir até 1 tonelada/hora em condições de pressão normal. Essa alta permeabilidade à água é fundamental para a ampla aplicação da tecnologia de OR no tratamento de água.

2.2 Permeabilidade Parcial de Certos Íons Minerais

Embora as membranas de OR sejam projetadas para bloquear íons, nem todos os íons são completamente removidos. Em alguns casos, uma pequena fração de certos íons minerais pode passar, embora em taxas muito mais baixas do que as moléculas de água. Os íons que podem passar mais facilmente são tipicamente menores e têm menor energia de hidratação.

Estudos mostraram que as membranas de OR tendem a ter uma taxa de transmissão ligeiramente maior para íons monovalentes (como sódio Na⁺) em comparação com íons divalentes (como cálcio Ca²⁺). Por exemplo, observou-se que os íons sódio passam mais facilmente devido à sua camada de hidratação menor e maior mobilidade. Embora a OR reduza efetivamente os sólidos dissolvidos totais (SDT), aplicações específicas podem exigir tratamento adicional para remover totalmente certos íons.

Em aplicações práticas, a permeabilidade dos íons minerais depende de fatores como material da membrana, pressão operacional e qualidade da água de alimentação. Para melhorar a remoção de íons específicos, podem ser empregadas tecnologias de membrana avançadas ou etapas adicionais de pré/pós-tratamento. Por exemplo, sistemas de amolecimento podem ser adicionados a montante da OR para remover íons cálcio e magnésio. A limpeza química regular das membranas de OR também é crucial para manter o desempenho e melhorar as taxas de rejeição de íons.

3. Seletividade Iônica da Membrana de OR

3.1 Efeito do Tamanho e Carga do Íon

A seletividade das membranas de OR é fortemente influenciada pelo tamanho e carga do íon. Os poros de uma membrana de OR são significativamente menores do que a maioria dos íons, impedindo efetivamente sua passagem. A hidratação também aumenta o tamanho efetivo dos íons, dificultando ainda mais o transporte.

• Tamanho do íon: Íons monovalentes como sódio (Na⁺) e cloreto (Cl⁻), sendo menores e menos hidratados em comparação com íons divalentes como cálcio (Ca²⁺) e magnésio (Mg²⁺), são ligeiramente mais propensos a passar pela membrana.

• Carga do íon: Íons divalentes (Ca²⁺, Mg²⁺) têm camadas de hidratação mais fortes e tamanhos efetivos maiores, tornando mais difícil para eles permear a membrana. Dados experimentais mostram que as membranas de OR geralmente removem íons divalentes de forma mais eficaz do que íons monovalentes devido a essas propriedades.

3.2 Diferenças na Taxa de Remoção de Íons

As membranas de OR exibem taxas de remoção variáveis para diferentes íons devido a diferenças no tamanho, carga e efeitos de hidratação:

• Íons monovalentes vs. divalentes: As membranas de OR geralmente atingem >90% de remoção de íons monovalentes como sódio, mas têm uma eficiência ligeiramente menor para íons divalentes como cálcio.

• Material da membrana: As membranas de poliamida comuns geralmente atingem mais de 90% de dessalinização, enquanto as membranas compósitas avançadas podem atingir 98% ou mais.

• Condições operacionais: A pressão mais alta aumenta a permeabilidade da água, mas pode aumentar ligeiramente a passagem de íons. A concentração mais alta de íons na água de alimentação pode levar à incrustação e ao entupimento, diminuindo as taxas de rejeição.

• Pré e pós-tratamento: O pré-amolecimento remove cálcio e magnésio antes da OR, enquanto o polimento por troca iônica pode melhorar ainda mais a qualidade final da água.

4. Fatores que Afetam a Rejeição de Íons

4.1 Material e Estrutura da Membrana

O material e a estrutura da membrana de OR afetam significativamente a seletividade iônica:

• Material: As membranas de poliamida são as mais comuns devido à sua estabilidade química e alto fluxo de água, geralmente atingindo >90% de dessalinização. As membranas compósitas avançadas combinam vários materiais para atingir até 98% de dessalinização.

• Estrutura: As membranas de OR típicas têm um tamanho de poro de 0,1–2 nm, muito menor do que a maioria dos íons. Elas são estruturadas em três camadas: camada base (tecido não tecido), camada de suporte (polissulfona) e camada de dessalinização (poliamida), cada uma otimizada durante a fabricação para melhorar a rejeição de íons.

4.2 Condições Operacionais (Pressão e Concentração)

A pressão operacional e a concentração da água de alimentação impactam diretamente o desempenho da OR:

• Pressão: A pressão mais alta aumenta linearmente o fluxo de água, mas apenas até um certo ponto melhora a rejeição de sal. Além desse limite, o aumento adicional da pressão não melhora a rejeição.

• Concentração: A salinidade mais alta aumenta a pressão osmótica, exigindo uma pressão aplicada mais alta. Se a pressão operacional permanecer constante, o fluxo diminui e a passagem de sal aumenta, reduzindo a eficiência de rejeição.

5. Resumo

Nesta seção, exploramos a seletividade iônica das membranas de OR, incluindo seus princípios, permeabilidade à água e íons, e fatores que afetam o desempenho:

• Seletividade iônica: As membranas de OR bloqueiam efetivamente a maioria dos íons, permitindo principalmente a passagem de moléculas de água. As taxas típicas de rejeição de sal são >90%, e os sistemas de dois estágios podem atingir 98% ou mais.

• Água vs. íons: A água permeia eficientemente devido ao transporte impulsionado por pressão, enquanto apenas traços de certos íons monovalentes pequenos podem passar.

• Fatores que influenciam a rejeição: O material e a estrutura da membrana, juntamente com as condições operacionais (pressão, concentração), determinam a seletividade iônica. A otimização desses fatores melhora o desempenho para aplicações específicas.

No geral, a capacidade de rejeição de íons das membranas de OR é um fator chave em seu uso generalizado no tratamento de água. Ao melhorar os materiais, a estrutura e as configurações operacionais, as membranas de OR podem atingir uma seletividade iônica ainda maior para atender às diversas necessidades de aplicação.