Membrane distillation in water treatment and retention of phenolic compounds : evaluation of bench and pilot scale

Abstract

A poluição das fontes de água por compostos fenólicos é um problema na sociedade contemporânea associado a uma expectativa de alto consumo deste recurso. A destilação com membranas por contato direto (DMCD) tem atraído a atenção para aplicações no tratamento de água e remoção de micropoluentes, devido a sua estabilidade, modularidade e robustez. Além disso, ela pode ser associada à fontes de energia alternativas como as renováveis e calor residual. Nesse contexto, buscando soluções para problemas estabelecidos, esse trabalho estudou a remoção de compostos fenólicos em água superficial pela DMCD. Para tanto, foi realizada uma pesquisa de revisão de literatura (2000-2023), que constatou a ocorrência de mais de 60 fenóis nas fontes de água de diversos países em concentrações variando de <0,065 a 179 M ng L-1. Os riscos para a saúde humana foram estimados com as concentrações reportadas na literatura, mostrando resultados preocupantes para alguns fenóis, tais como 2-nitrofenol, 2,6-diclorofenol, 3,4,5-triclorofenol, 2,3,4,6-tetraclorofenol, 2,4-dinitrofenol, 3-metilfenol, 2,4-dimetilfenol, 2,4,6-triclorofenol e pentaclorofenol. A importância do setor de tratamento de água na remoção destes micropoluentes foi ressaltada, assim como a incorporação de mais composto fenólicos nas diretrizes de água potável para proteção das populações. As possibilidades de remoção de fenóis pelas tecnologias de membranas foram elencadas, sendo destacadas as altas remoções da osmose inversa, como uma tecnologia madura e com a menor pegada ecológica estimada, e da destilação por membrana, como uma tecnologia emergente. Experimentos foram feitos utilizando a DMCD em escala de bancada para avaliar as condições operacionais de temperatura (40, 50 e 60 °C), concentração da alimentação (3, 5, 7 e 10 µg L-1), recuperação de permeado (30, 50 e 70 %) e os efeitos da incrustação na retenção dos compostos fenólicos. A tecnologia foi eficiente com >90 % de remoção dos poluentes, mesmo para operações do processo com maiores temperaturas (60 °C) e recuperação do permeado (70 %). As variações da concentração da alimentação estudadas, não afetaram a qualidade do permeado gerado e a camada de incrustação formada favoreceu a concentração dos compostos fenólicos na solução de alimentação, praticamente, sem perda de massa no processo. Porém, com a incrustação houve um alto decaimento do fluxo de permeado em um curto período de tempo, sendo indicado a necessidade de estudar estratégias de pré-tratamento da água bruta e limpeza periódica do sistema. Experimentos, também foram realizados com o objetivo de avaliar o escalonamento da unidade de DMCD de bancada (0,0042 m2) para piloto (0,3 m2). Além disso, foi elaborado uma análise econômica considerando um sistema de DMCD para o tratamento de água móvel (5,5 m3 d-1), distribuído (11 m3 d-1) e centralizado (535.680 m3 d-1). Dentre os resultados alcançados, destaca-se que, o escalonamento do sistema não afetou a remoção dos fenóis. Ainda, foi evidenciado que a DMCD pode ser economicamente atraente para aplicações no tratamento de águas superficiais em larga escala, devido a redução da amortização dos altos custos de investimentos iniciais com a maior produção de água. Os custos operacionais dos sistemas DMCD foram comparados quanto ao uso de energia solar e de fontes elétricas convencionais. Os maiores valores foram relacionados ao emprego da energia solar devido à aquisição dos painéis fotovoltaicos, que aumentaram o valor da amortização. Algumas estratégias foram levantadas para diminuir os custos do investimento inicial, como o tratamento parcial da água (sistema menor), da amortização, trabalhando com a capacidade de processo >10.600 m³ d-1, e da energia gasta no trocador de calor, diminuindo a variação da temperatura entre as correntes da DMCD (ΔT) de 35 °C para 30 °C (OPEX: 0,50 US$ m-³ - 0,19 US$ m-³). Assim, a DMCD foi profundamente estudada para aplicação no tratamento de água e remoção de compostos fenólicos, pensando em um cenário moderno, robusto e mais seguro para o setor. Os desafios, também foram listados, deixando espaço para estudos futuros sobre como melhorar a eficiência energética do processo, aumentar o fluxo de permeado, reduzir custos e gerir o concentrado gerado.