Conheça as membranas e suas aplicações

Os processo de separação é fundamental. Neste estágio, são necessárias operações como filtração, destilação, cristalização, extração, centrifugação, dentre várias outras, para a produção, o tratamento, a gestão de resíduos e a segurança nas indústrias.

Por serem tão importantes, o aprimoramento dessas separações, com o objetivo de torná-las mais eficientes, é necessário. Para isso, podem ser feitos tanto estudos para a otimização das separações tradicionais, como também podem ser desenvolvidos novos processos mais vantajosos.

Neste cenário, os processos de separação com membranas mostram-se promissores. Estudada com maior interesse nas últimas 6 décadas, esta tecnologia é relativamente recente e ainda possui enorme potencial de expansão nas indústrias.

Por isso, neste texto serão discutidas as principais características das membranas e suas aplicações. Assim como a química de fluxo, o desenvolvimento dessa técnica de separação envolve o desenvolvimento de novas tecnologias de processo que podem ser fundamentais para a sustentabilidade na indústria.

O que é uma membrana?

Uma membrana é uma barreira que separa duas fases ao restringir, de forma seletiva, o transporte de uma ou mais substâncias químicas presentes nestas fases (Habert, Borges e Nobrega, 2006). Elas são encontradas em diversos sistemas diferentes.

Em estruturas celulares, por exemplo, a membrana plasmática controla a entrada e saída de água e nutrientes da célula. Este controle é fundamental para a manutenção da vida no planeta e só é possível devido às propriedades seletivas que as enzimas fornecem a estas membranas.

Na indústria, as membranas sintéticas tendem a ser mais simples. A seletividade, neste caso, em vez de ser controlada por estruturas enzimáticas complexas, é obtida a partir da manipulação das propriedades do material utilizado para a produção da membrana. A partir de diferentes morfologias e materiais, é possível obter membranas para diferentes aplicações.

Membrana sintética densa com 2% de biocarvão

Classificação das membranas

As membranas sintéticas podem ser densas ou porosas, isotrópicas ou anisotrópicas, integrais ou compostas. Numa membrana densa, o transporte de massa ocorrerá por meio de etapas de sorção e difusão. Nas membranas porosas, uma fase fluida permeia através dos poros, facilitando a separação.

As membranas isotrópicas (ou simétricas) possuem seção transversal com densidade média constante ao longo de sua espessura. As membranas anisotrópicas (ou assimétricas) possuem seções transversais com densidades médias que variam em diferentes pontos da espessura.

As membranas integrais são feitas de um único material. Elas podem ser orgânicas (poliméricas) ou inorgânicas (cerâmicas ou metálicas).

Por outro lado, as membranas compostas possuem mais de um material em sua composição. Estas membranas combinam propriedades específicas de diferentes materiais com o objetivo de obter alguma melhoria de desempenho: seja em fluxo, em seletividade ou em ambos.

 

As membranas e os processos de separação

Quando comparadas a outros processos de separação, deve-se destacar as vantagens e desvantagens das membranas.

Vantagens

• Processos energeticamente favoráveis: a separação por membranas pode economizar energia já que, normalmente, não há demanda de aquecimento intenso das misturas para a obtenção do produto desejado.

• Operações em condições brandas: como a demanda por aquecimento é menor, as temperaturas da operação tendem a ser mais baixas. Além disso, não é comum a adição de químicos, que podem ser agressivos, nas separações com membranas.

• Modulares: os módulos são componentes de sistemas de separação em que as membranas são instaladas. As várias geometrias desse módulo podem permitir a instalação compacta de grandes áreas de membrana.

• Instalação: a separação por membranas possui acoplamento simples com processos convencionais.

Desvantagens

• Seletividade e fluxos reduzidos: para muitas aplicações, ainda são necessárias pesquisas que permitam aumentar a produtividade e/ou a seletividade dos processos, a fim de que sejam economicamente viáveis na indústria.

• Incrustações: com o tempo, o acúmulo de partículas que não puderam escoar através do material pode bloquear o escoamento através da membrana. Esse bloqueio pode contribuir para a queda de desempenho e redução do tempo de vida do material.

• Resistência química: os materiais poliméricos são os mais empregados para a produção de membranas por vários motivos (financeiros, processuais, logísticos, etc). Estes materiais tendem a ter resistência química reduzida em comparação a metais e cerâmicas e podem ser inadequados para a separação de misturas que contenham componentes mais agressivos.

Aplicações das membranas

O quadro a seguir apresenta diferentes tipos de membranas e suas aplicações.

Processos	Principais aplicações
Microfiltração	Esterilização bacteriana, clarificação de vinhos e cervejas, concentração de células e oxigenação do sangue.
Ultrafiltração	Fracionamento e concentração de proteínas, recuperação de pigmentos e óleos.
Nanofiltração	Purificação de enzimas e biorreatores a membrana.
Osmose Inversa	Dessalinazação e desmineralização das águas, concentração de suco de frutas.
Diálise	Hemodiálise, rim artificial e recuperação de hidróxido de sódio.
Eletrodiálise	Concentração de soluções salinas e purificação de águas.
Permeação de gases	Recuperação de hidrogênio, separação de dióxido de carbono e metano e fracionamento do ar.
Pervaporação	Desidratação de álcoois e eliminação de compostos orgânicos voláteis da água.

Fonte: Adaptado de Habert, Borges e Nobrega (2006).

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