Aplicação de Processos de Separação por Membrana em efluente de lavanderia de Jeans para fins de reúso

Autores

Souza, R.I.L. (CEFET- MG) ; Neta, L.S.F. (CEFET-MG) ; Rezende, P.S. (CEFET-MG)

Resumo

Efluentes gerados por uma lavanderia de jeans foram permeados em uma membrana de fibra oca de fluoreto de polivinilideno (PVDF) objetivando o seu reúso. A fibra foi caracterizada por meio de parâmetros morfológicos e de transporte. A membrana é de ultrafiltração (UF) com ponto de corte molecular de 66 kDa. A diminuição do fluxo foi atribuída a processos reversíveis de adsorção e/ou polarização da concentração. Declínios no fluxo também podem ter ocorrido devido à sensibilidade da membrana à pressão osmótica resultante da alta presença de sais. A UF foi eficiente na melhoria dos parâmetros cor, turbidez (95%) e sólidos (62%). O processo foi pouco efetivo para a remoção de íons e demanda química de oxigênio (DQO). A necessidade de um processo de separação adicional integrado a UF é sugerida.

Palavras chaves

Reúso de água; efluente têxtil; ultrafiltração

Introdução

A água tem papel importante em todos os processos industriais e o seu uso é realizado de variadas formas. Na produção têxtil é insumo indispensável em praticamente todas as etapas produtivas que abrangem desde o plantio do algodão até a saída da peça acabada. As estimativas é de que este são gastos anualmente 93 bilhões de metros cúbicos de água (ELLEN MACARTHUR FOUNDATION, 2017). Dentro do segmento têxtil, a indústria de jeans tem contribuído de forma significativa com este alto consumo de água. Estima-se que são necessários durante todo o ciclo de vida do produto de uma calça jeans de 3.000 a 11.000 litros. Valor este que varia com base no processo produtivo de cada indústria (LEVI STRAUSS & CO., 2009; PAUL, 2015). É nas lavanderias industriais de jeans que ocorrem maiores gastos de água limpa devido as etapas de lavagem, acabamento e algumas vezes tingimento (CHEQUER et al., 2013). Toda essa necessidade por água acarreta a geração de um volume igualmente grande de resíduos líquidos. A poluição química é um dos tipos de poluição mais comuns destas águas residuais e é decorrente do uso de corantes, aditivos, produtos de acabamento, dentre outras substâncias. A composição e qualidade destes efluentes variam e dependem de diversos fatores (MUTHU,2017). Geralmente, são ricas em demanda química de oxigênio, poluentes orgânicos persistentes, sais inorgânicos, sólidos totais dissolvidos, pH que varia de ácido a básico, alta temperatura e turbidez. Além disso, são classificados como não biodegradáveis devido a origem sintética e a estrutura aromática complexa dos muitos compostos que o constituem. A liberação de efluentes coloridos é indesejável ao meio ambiente podendo contaminar os corpos d’água e causar riscos à saúde humana (CHEQUER et al.,2013; VERMA et al.,2012). A indústria química tem uma longa história de desenvolvimento de produtos e processos que promoveram melhorias extraordinárias na vida humana. No decorrer dos anos, esse progresso foi baseado em uma economia linear em que a produção foi marcada pela extração crescente de recursos naturais, fabricação de produtos, geração e descarte de resíduos. Quase nunca foi levado em conta as possíveis consequências adversas ao planeta. Nos últimos tempos, a humanidade tem sido impactada de diversas formas. A escassez de recursos, o aumento da poluição e as mudanças no clima trouxeram vulnerabilidade humana. Neste contexto de incertezas percebe-se que a economia linear tornou-se um padrão inviável e insustentável. Os princípios de uma economia circular passaram a ser mais eficientes para a gestão adequada dos recursos dentro do escopo econômico de desenvolvimento sustentável. Neste modelo, os materiais são aproveitados na cadeia de forma cíclica e os recursos naturais são valorizados em todas as etapas produtivas (TIOSSI e SIMON, 2021). No caso das lavanderias de jeans isso significa desenvolver tecnologias mais limpas que sejam muito mais econômicas e ecológicas em termos de demanda de água. A gestão sustentável da água, bem como a redução na geração de resíduos e o reúso fazem parte do plano de ação da Agenda 2030 para atingir os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ONU, 2018). Usualmente as técnicas aplicadas para melhorar a qualidade dos efluentes de lavanderia de jeans e permitirem o seu despejo englobam métodos físico-químicos e biológicos. Estes, embora proporcionem boa remoção de DQO, apresentam uma baixa eficiência para a remoção de sais e descoloração. Outro problema é que estes métodos necessitam de uma alta dose de coagulantes, o que aumenta o custo e não é tão amigável ao meio ambiente (VERMA et al., 2012). As técnicas convencionais não têm sido alternativa eficiente e sustentável para o reúso destes efluentes (BUSCIO et al., 2015). Os Processos de Separação por Membranas (PSM) surgem como uma alternativa frente ao convencional. Estas tecnologias utilizam processo de separação física sem a necessidade de adição de produtos químicos e apresentam alto rendimento de filtração, capaz de produzir permeados de qualidade, amplamente investigados devido à possibilidade de seu reúso. A pesquisa de membranas de ultrafiltração, nanofiltração e osmose inversa têm tido destaque quando se trata de efluentes coloridos (VERMA et al., 2012; AOUNI et al., 2012; COUTO, 2016; RAMUTSHATSHA e NOMNGONGO, 2022). Como forma de mitigar os impactos gerados pelo uso intensivo e poluição dos recursos hídricos no setor têxtil, este estudo investigou a aplicação de uma membrana de fibra oca de PVDF para o reúso do permeado de lavanderia de jeans. Para isso, a membrana foi caracterizada quanto à morfologia e aos parâmetros de transporte, sendo eles: teste de permeabilidade hidráulica, teste de compactação e teste de rejeição ao soluto. A eficiência do processo visando o reúso foi avaliada pela melhoria dos parâmetros de qualidade de água analisados.

Material e métodos

2.1 Membranas, módulos e sistema de filtração As membranas de PVDF em formato cilíndrico e oco (M16) foram fornecidas pela Vitaltec Engenharia. Para a confecção do módulo (M16-02) as fibras foram acondicionadas no interior de tubos de PVC e em seguida fixadas nas extremidades destes tubos com cola epóxi Araldite. Um sistema de filtração foi desenvolvido para a realização de testes em bancada. Ele foi operado de maneira intermitente/batelada e deu-se em recirculação total da corrente do permeado e concentrado para o tanque de alimentação. A membrana foi acoplada de forma a se obter um fluxo tangencial. 2.2 Avaliação da morfologia da membrana A fim de se conseguir visualização da estrutura porosa, a fibra M16 foi observada em Microscópio de Varredura, feixe duplo, eletrônico e iônico – FEI Quanta 3D FEG. 2.3 Avaliação dos parâmetros de transporte da membrana A permeabilidade hidráulica de uma membrana é descrita pela Lei de Darcy: J=A.∆P, sendo A = permeabilidade e ∆P = a diferença de pressão. Este parâmetro foi determinado por meio do monitoramento do fluxo de permeado estabilizado em pressões determinadas utilizando água filtrada como alimentação. Após os testes de permeabilidade, a membrana foi submetida a processos de compactação a pressão constante. A medida de capacidade de separação da M16 foi analisada calculando o coeficiente de retenção do soluto conhecido como: R_S=1-C_p/C_r(MULDER, 1996). Para isso, foi permeado, variando-se o fluxo do sistema, duas proteínas de massa molecular nominal conhecida: a Tripisina (23,8 kDa) e a Albumina Bovina/BSA (66 kD) a 500 ppm. Posteriormente, amostras foram levadas para a leitura de absorbância no Espectrofotômetro UV/Visível Bel, modelo UV-M51 de 190 – 1.000 nm, na faixa de comprimento de onda de 280 nm identificando a variação das concentrações na alimentação (cp) e no permeado (cr). 2.4 Amostra de efluente de lavanderia de jeans As amostras de efluente de lavanderia foram fornecidas por uma indústria de produção de Jeans localizada em Betim-MG. O efluente contêm azul índigo e outros produtos químicos auxiliares. A coleta foi realizada no tanque de descarte. 2.5 Teste de Operação do Sistema O comportamento do sistema ao permear o efluente de lavanderia de jeans foi investigado para identificar as variáveis ideais de funcionamento do processo. A membrana M16-02 foi submetida a um ensaio de 40 horas e o sistema foi operado a refluxo total, com pressão de 0,5 bar e com vazão controlada no rotâmetro de 2 L/min. 2.6 Eficiência do sistema para reúso do efluente de lavanderia de Jeans Para avaliar a eficiência da membrana objetivando o reúso foram coletadas 2 amostras do efluente em semanas diferentes. Cada amostra foi permeada no sistema por cerca de 4 horas. O permeado encontrado foi caracterizado pelos mesmos parâmetros do efluente bruto. Que foram: pH, condutividade, turbidez, DQO, sólidos, dureza, cloreto e sulfatos, cor e odor. Os dados obtidos do efluente bruto e do permeado foram comparados.

Resultado e discussão

3.1 Avaliação dos parâmetros morfológicos da membrana A fibra apresentou morfologia anisotrópica porosa e não é um cilindro circular perfeito. O lúmen da membrana tem formato não-circular, próximo a ele e na parte mais externa notou-se uma morfologia esponjosa. Entre essas superfícies encontrou-se poros digitiformes. A observação da superfície externa indicou uma superfície densa e fechada. Esta é uma característica típica de membranas de ultrafiltração. As membranas de ultrafiltração normalmente apresentam porosidades superficiais muito baixas, variando de 0,1 a 1% (MULDER, 1996). 3.2 Avaliação dos parâmetros morfológicos da membrana Em substâncias puras, a taxa de permeação da membrana é proporcional à força motriz. A permeabilidade hidráulica permeando água pura é usualmente encontrada por relação gráfica e corresponde ao coeficiente angular da reta obtida pela regressão linear dos dados de fluxo permeado em função da pressão aplicada (MULDER, 1996). O valor médio de permeabilidade hidráulica obtido para o módulo M16- 02 foi de 103,86  1,19 L/h.m2. bar. Ao acionar pressão maior que 1 bar, o fluxo sofreu um aumento expressivo e logo tendeu a crescer constantemente, o que sugere maior permeação nos poros menores. Esta avaliação é importante, já que, segundo Mulder (1996), as características de separação são determinadas pelos grandes poros da membrana. O sistema funcionará adequadamente em baixas pressões. Os resultados encontrados para a compactação (Figura 1b) demostraram um comportamento comum de uma membrana polimérica em sistemas pressurizados. O fluxo foi alto e com o passar do tempo ele diminuiu e tendeu a ficar constante. Quando uma membrana polimérica é colocada sob pressão, os polímeros são levemente reorganizados e a estrutura é alterada resultando em uma porosidade de volume reduzida, aumento da resistência da membrana e uma diminuição do fluxo (MULDER, 1996). O objetivo de investigar a rejeição por solutos é determinar o ponto de corte molar da membrana (MWCO). Segundo Mulder (1996) o MWCO de uma membrana corresponde à massa molecular de soluto na qual a rejeição é maior que 90%. A fibra M16 obteve melhor desempenho de retenção para a proteína BSA chegando a 96,07%. Ou seja, a membrana M16 poderá ser utilizada em processos de separação para retenção de solutos com massa molar maior que 66 kDa. Com base na literatura, estima-se que membranas de ultrafiltração apresentam MWCO entre 20-150 kDa. A retenção da M16 para tripsina não atingiu valores iguais ou maiores de 90% (HABERT et.al., 2006; EZUGBE e RATHILAL,2020). 3.3 Teste de Operação do Sistema O fluxo do permeado foi investigado no momento da partida e a cada 1 hora (Figura 1c). Os picos identificados no gráfico devem-se às pausas diárias realizadas. Após a compactação da membrana a diminuição do fluxo pode ser decorrente de partículas que tendem a se acumular na superfície superior da membrana causando uma “camada de torta” que reduz o tamanho efetivo dos poros da membrana e aumenta a resistência ao escoamento com o tempo (COELHO et al., 2017). Nota-se que o fluxo a certo momento em cada ciclo foi se estabilizando o que indica uma reversibilidade. A cada ciclo o fluxo inicial foi diminuindo. Da hora 0 a 40, houve uma diminuição de aproximadamente 70,78%. O primeiro fato que justifica esta grande diminuição é que a cada pausa não foi realizada nenhuma limpeza da membrana. Outro fato a ser observado é que o efluente de lavanderia é caracterizado por apresentar quantidades significativas de íons devido ao uso de eletrólitos, soda cáustica, corantes reativos, dentre outros. Com o tempo, a membrana pode sofrer um declínio de fluxo devido a sua sensibilidade à pressão osmótica resultante da presença de sais (COELHO et al., 2017). Os parâmetros avaliados no teste estão destacados na Figura 2a. A diminuição média da turbidez é de aproximadamente 95% indicando que o processo de separação é eficiente para remoção de materiais em suspensão do efluente de lavanderia de jeans. Verificou-se uma baixa diminuição da DQO. Embora boas porcentagens de remoção deste parâmetro já tenham sido relatadas para membranas de ultrafiltração de PVDF, a maioria dos estudos citam a necessidade em processos de UF da integração em conjunto de outro processo para se alcançar maiores eficiências (CURIC e DOLAR, 2022; NANDY et al., 2007; AOUNI et al., 2012). Também foram aferidos pH, odor e cloreto para o efluente bruto e para o permeado final, após as 40 horas. O pH sofreu pouca alteração. Na análise de cloretos verificou-se uma redução de aproximadamente 16%. Membranas de ultrafiltração como já relatado na literatura não são muito eficientes para remoção de sais e íons. Drioli e Giono (2016) citam que a ultrafiltração não retém cloretos sendo um desafio para métodos que objetivam o reúso do permeado. O permeado apresentou ausência de odor após a permeação no PSM. Os resultados obtidos com o teste de operação indicaram que a membrana M16 dispõem de resistência e estabilidade em operações de longas durações com efluente de lavanderia de jeans. Sendo que para o sistema confeccionado a operação em baixa pressão foi eficiente para um bom funcionamento. 2.6 Eficiência do sistema para reúso do efluente de lavanderia de Jeans O fluxo do permeado com o efluente de lavanderia de jeans para cada ensaio foi controlado a cada 1 hora e os dados estão na Figura 1d. O fluxo nas duas situações diminuiu na primeira hora e tendeu à estabilidade após este tempo indicando que após a compactação da membrana, se eventos de adsorção e formação da camada de gel ocorreram estes foram reversíveis. Investigando o efeito do pH no fluxo da membrana foi possível perceber que a permeação com efluente mais ácido o fluxo foi menor (Figura 1d). O pH da solução afeta as propriedades eletroquímicas dos solutos e da superfície da membrana, o que pode efetivamente alterar a eficiência de separação. No caso dos corantes, esta eficiência é muito influenciada por suas cargas que são alteradas com os valores de pH. Em condições ácidas costuma-se perceber a agregação das moléculas do corante e diminuição da força iônica (LIU et al., 2019). Ainda, a diminuição do fluxo entre os ensaios pode ter sido proporcionada pelas características do efluente. A partir das coletas realizadas, pode-se perceber que no Ensaio 1 o efluente apresentou maior carga de sólidos suspensos. Corroborando com os resultados encontrados no teste de operação, o processo de separação proporcionou ao permeado do efluente de lavanderia de jeans melhora nos parâmetros de turbidez e redução de cor. Os resultados de remoção da turbidez atingiram eficiência de até 92%. A Figura 2b exibe a diferença visual entre o permeado e o efluente bruto, já os parâmetros avaliados e a comparação entre o efluente bruto e o permeado estão indicados na Figura 2c. Nos Ensaios cloretos, sulfatos e dureza sofreram pequena variação. Fato este que já era esperado, visto que, como já citado membranas de ultrafiltração não apresentam boa eficiência para retenção de íons e moléculas pequenas. A análise do parâmetro DQO nos ensaios confirmaram a baixa eficiência da membrana estudada na remoção de matéria orgânica. A ultrafiltração é uma barreira física quem tem como principal propriedade a capacidade de remover sólidos suspensos, coloides e vírus presentes na água. (HABERT et.al., 2006, DRIOLI e GIONO, 2016). Para a membrana M16 os resultados apontaram remoção de até 62% dos sólidos totais. Devido à pouca efetividade do processo investigado em alguns parâmetros de qualidade analisados, principalmente do parâmetro DQO e para a retenção de ions percebe-se a necessidade da integração conjunta de outro processo de separação no sistema explorado para assegurar uma purificação completa e permitir o reúso. Estudos demostram que processos de nanofiltração e ou/ osmose reversa quando integrados a ultrafiltração permitem melhores filtrados sendo possível a reutilização segura (DRIOLI e GIONO, 2016).

a) Esquema ilustrativo do sistema de filtração em reciclo total; b) Compactação M16-02; c) Fluxo: Teste de Operação; d) Fluxo: Ensaios.


a) Parâmetros teste de operação; b) Comparação visual efluente bruto x permeado; c) Parâmetros analisados para análise da eficiência do processo

Conclusões

Com base nas etapas de caracterização constatou-se que a fibra oca de PDVF investigada é uma membrana de ultrafiltração. Tal fato foi atestado pelo ponto de corte encontrado de 66 kDa e por suas características porosas nas análises do MEV. Os permeados de efluentes de lavanderias de jeans obtiveram ótimas melhorias nos parâmetros de cor, turbidez e sólidos. Sendo possíveis resultados de redução da turbidez de até 95% e para sólidos de até 62%. O processo de separação por membrana estudado mostrou bom comportamento quando submetido a testes de longa duração. Diante da complexidade do efluente filtrado é difícil alegar que processos irreversíveis, como incrustações ocorreram na membrana. Episódios de diminuição do fluxo em certos momentos nos testes foram atribuídas a processos reversíveis de adsorção e/ou polarização da concentração o que reforça a importância de projetar sistemas com processos de limpeza e promotores de turbulência. Ademais, observou-se que o pH da solução influenciou no fluxo do permeado. O processo foi pouco efetivo para a remoção de íons e demanda química de oxigênio (DQO). A necessidade de um processo de separação adicional integrado a UF explorada é sugerida para permitir melhores filtrados e reutilização segura deste permeado.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro concedido pelo Programa de Apoio à Pós-Graduação do CEFET- MG e a indústria de jeans parceira neste estudo.

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