Membrana de filtração refere-se a um meio que separa duas fases diferentes de substâncias sob certas forças motrizes. Sob a ação da força motriz, íons, moléculas e algumas partículas na solução mista podem ser separadas pela permeabilidade da membrana.
De acordo com o tipo de material, as membranas são classificadas em membranas orgânicas e membranas inorgânicas. As membranas orgânicas foram introduzidas pela primeira vez e amplamente utilizadas no tratamento de água devido à sua alta eficiência de separação, equipamento simples e fácil processo de formação. No entanto, eles ainda apresentam desvantagens inerentes, como vida útil curta, baixa estabilidade química, fraca resistência a microorganismos e baixa estabilidade térmica.
As membranas inorgânicas, particularmente as membranas cerâmicas, têm gradualmente atraído a atenção. Desde a década de 1990, a taxa de crescimento anual das membranas inorgânicas atingiu 30%-35%, sendo as membranas cerâmicas responsáveis por aproximadamente 80% deste crescimento.
Características de Desempenho de Membranas Cerâmicas Inorgânicas
As membranas cerâmicas são uma espécie de membrana de estado sólido, cujo suporte é constituído por materiais cerâmicos porosos e a camada filtrante é composta por membranas cerâmicas microporosas. Eles podem ser tubulares, planos ou multicanais. A superfície das membranas cerâmicas apresenta microporos dispostos uniformemente com tamanhos de poros normalmente variando de 0,004 a 15 μm. Preparadas a partir de materiais como Al2O3, TiO2, ZrO2 e SiO2, as membranas cerâmicas são bem conhecidas por sua excelente estabilidade química, resistência a altas temperaturas e longa vida útil.
1. Resistência a altas temperaturas
As membranas cerâmicas inorgânicas possuem excelente resistência ao calor, sendo a maioria das membranas cerâmicas capazes de operar em temperaturas que variam de 1000-1300°C. Eles são adequados para a separação de fluidos de alta temperatura e alta viscosidade. Em cenários em que a limpeza química não é viável, como nas indústrias alimentícia, de laticínios e farmacêutica, ou quando é necessário reduzir a viscosidade do material através do aumento da temperatura,
2. Boa estabilidade química
As membranas cerâmicas inorgânicas são resistentes à corrosão ácida, alcalina e biológica, superando o metal e outros materiais de membrana orgânica em termos de resistência à corrosão. Podem ser utilizados para manusear materiais com valores extremos de pH, principalmente materiais alcalinos, além de possuírem excelentes propriedades antibacterianas e resistência à biodegradação.
3. Alta Seletividade de Permeação
Devido ao pequeno tamanho dos poros das membranas cerâmicas porosas, elas possuem alta seletividade de permeação, podendo ser aplicadas para ultrafiltração e microfiltração. Além disso, as membranas de nanofiltração cerâmica possuem diferentes características de separação de íons, de modo que o material cerâmico pode ser selecionado de acordo com os íons alvo a serem separados.
4. Sem contaminação, fácil de limpar, longa vida útil
As membranas cerâmicas possuem excelente estabilidade química, sem mudanças de fase ou reação química durante o processo de separação, portanto não há contaminação do líquido.
A limpeza da membrana cerâmica é bastante fácil, produtos de limpeza ácidos, alcalinos e enzimáticos podem ser usados para remover precipitados insolúveis, substâncias oleosas e proteínas na superfície da membrana, vapor e água fervente podem ser usados para esterilização, e o método de retrolavagem pode ser aplicado para remover contaminantes do poros da membrana, uma vez que as membranas cerâmicas possuem estrutura assimétrica.
As membranas cerâmicas têm excelente durabilidade, a vida útil típica é de 3 a 5 anos e algumas podem até chegar a 8 a 10 anos com manutenção adequada.
5. Fotocatálise
Certos tipos de membranas cerâmicas, como as membranas de TiO2, possuem fortes propriedades fotocatalíticas. Sob luz ultravioleta, eles podem matar bactérias e outros microorganismos na matéria-prima, tornando-os adequados para aplicações de tratamento de água, purificação de ar e esterilização.
Aplicação de Membranas Cerâmicas no Tratamento de Águas Residuais
1. Águas residuais da indústria alimentícia
As membranas cerâmicas têm resistência a altas temperaturas, estabilidade química e resistência à corrosão ácida, alcalina e biológica, portanto, têm uma ampla gama de aplicações no tratamento de filtração de águas residuais da indústria alimentícia, principalmente para fábricas de fabricação de sucos de frutas, cerveja, molho de soja, vinagre, água ginkgo, chá, etc., também podem ser usados para filtração de medicamentos fitoterápicos.
2. Águas Residuais Têxteis e de Fabricação de Papel
As águas residuais têxteis e de fabricação de papel são caracterizadas por seu grande volume, alta coloração e composição complexa, contendo corantes, celulose, impurezas de fibras, metais pesados e outras substâncias, possuem alta toxicidade biológica e causarão poluição severa. As membranas cerâmicas são particularmente eficazes no tratamento de corantes insolúveis e, para corantes solúveis, a taxa de remoção pode ser significativamente melhorada pela adição de surfactante.
3. Águas Residuais Bioquímicas
A aplicação de membranas cerâmicas no campo da engenharia bioquímica atraiu recentemente muita atenção, envolvendo áreas de remoção de células, produção de água estéril, clarificação de compostos orgânicos de baixo peso molecular e membranas de biorreatores. O uso de membranas cerâmicas para separar bactérias do caldo de fermentação resultou em múltiplas instalações em escala industrial, apenas melhorando a produtividade do produto, reduzindo a carga do equipamento, mas também reduzindo significativamente a descarga de águas residuais.
4. Águas residuais contendo petróleo
As águas residuais contendo petróleo são originárias de diversas fontes, incluindo petroquímica, extração de petróleo, transporte, usinagem, couro, têxteis, alimentos e produtos farmacêuticos. É altamente exigente quimicamente em oxigênio e contém grandes quantidades de óleo, causando grave poluição ambiental. A separação eficaz de águas residuais contendo petróleo é crucial para a remediação ambiental, recuperação de petróleo e reutilização de água. A tecnologia de filtração por membrana cerâmica tornou-se um ponto importante de pesquisa devido ao seu excelente efeito de separação e sem poluição secundária.
5. Águas Residuais Domésticas e Urbanas
As membranas de alumina podem ser usadas para tratar águas residuais domésticas e urbanas, os microporos não são fáceis de serem bloqueados, fáceis de limpar, os poluentes presos apenas permanecem na superfície da camada de controle. Após a limpeza, a taxa de retenção e a vazão disponível podem ser recuperadas quase 100%. Tubos de membrana de alumina com tamanho de poro de camada de controle variando de 0,1-0,35μm têm uma taxa de remoção de 83% para DBO5, 67% para CODcr e 100% para matéria sólida em suspensão maior que 0,1μm.
Aplicação de Biorreatores de Membrana Cerâmica no Tratamento de Água
A aplicação de membranas cerâmicas no tratamento de água é particularmente difundida no tratamento de águas residuais, principalmente águas residuais industriais, a investigação e aplicação de membranas cerâmicas no tratamento de esgotos domésticos ainda são relativamente raras. As principais aplicações de membranas cerâmicas no tratamento de esgoto doméstico podem ser categorizadas em dois tipos: separação por membrana e biorreatores de membrana cerâmica (CMBR) que combinam separação por membrana com tecnologia de biorreator. Atualmente, a separação por membranas é menos comumente vista em pesquisas aplicadas, com a maioria dos esforços concentrando-se em biorreatores de membranas cerâmicas, predominantemente processos anaeróbicos.
O biorreator de membrana (MBR) é uma tecnologia inovadora de tratamento de água que combina unidades de separação por membrana com unidades de tratamento biológico. O tanque de sedimentação secundário usado no método tradicional de lodo ativado é substituído pelo módulo de membrana, que é de separação de alta eficiência, separação de lama-água sem precedentes e efeitos de concentração de lodo sem precedentes são alcançados. Além disso, a membrana retém eficientemente sólidos suspensos, matéria orgânica, patógenos e vírus das águas residuais, melhorando significativamente a qualidade da água tratada.
Comparado às técnicas tradicionais de tratamento bioquímico, o MBR tem vantagens significativas de alta eficiência de tratamento, excelente qualidade da água, equipamento compacto, espaço pequeno, fácil automação e operação e gerenciamento simplificados. Desde a década de 1980, esta tecnologia tem atraído cada vez mais atenção e se tornado um tema quente na pesquisa de tratamento de água. Atualmente, os biorreatores de membrana foram aplicados em mais de dez países, incluindo Estados Unidos, Alemanha, França, Japão e Egito.
Para o tratamento centralizado de águas residuais municipais, o grande volume de água a ser tratada e a concentração relativamente baixa de poluentes fazem com que a filtração por membrana consuma muita energia e seja economicamente menos viável. No entanto, biorreatores de membrana cerâmica podem ser utilizados para tratamento distribuído de esgoto doméstico, como o reúso de águas residuais em um complexo residencial. Os biorreatores de membrana cerâmica oferecem operação estável, requisitos mínimos de manutenção, alta resistência mecânica, longa vida útil e resistência à corrosão química, tornando-os altamente competitivos em comparação com membranas orgânicas.
Em resumo, os biorreatores de membrana cerâmica ganharam elogios generalizados no tratamento de água industrial devido à sua longa vida útil, alta confiabilidade, efeito de tratamento consistente, menos requisitos operacionais e de manutenção e têm grandes perspectivas de aplicação no tratamento distribuído de esgoto doméstico.
