A indústria de dessalinização, uma fonte crítica de água potável em muitas regiões áridas, gerou mais de US $ 13 bilhões no ano passado e deve dobrar em uma década. A maioria das usinas de dessalinização hoje usa um processo chamado osmose reversa (RO), que força a água através de enormes rolos de membranas, deixando o sal para trás. Um dos desafios operacionais mais caros para essas plantas é a incrustação dessas membranas por microrganismos.

Agora, a pesquisa do MIT sugere uma abordagem diferente para reduzir a taxa de incrustação e, assim, melhorar a eficiência das plantas de RO.

A ideia predominante na indústria é que a alta pressão exigida pelo RO é responsável pela taxa relativamente alta de incrustação, em comparação com outros sistemas, como osmose direta. Mas o estudo do MIT mostra que este não é o caso, uma descoberta que abre novas abordagens para reduzir a incrustação em RO. A pesquisa, por Emily Tow '12, SM '14, PhD '17 e o professor do MIT John H. Lienhard V, foi publicado recentemente no Journal of Membrane Science e apresentado na Conferência de Tecnologia de Membrana AMTA / AWWA 2017, onde recebeu o prêmio Student Best Paper Award.

Muitos especialistas acreditam que a alta pressão em um sistema de RO comprime as esteiras microbianas que crescem nas membranas, e que esta "compactação" torna o crescimento muito mais difícil de remover. Em contraste, em sistemas de osmose direta (FO) de baixa pressão, que são menos eficientes em termos de energia, mas mais resistentes a incrustações, o tapete supostamente mais frouxo é considerado mais fácil de limpar.

Contudo, essas esteiras microbianas geralmente estão cheias de água, que não se comprime sob pressões de RO, então "não há uma boa razão para a alta pressão piorar a incrustação, "Diz Tow. Ela compara os micróbios a um mergulhador:" Há muita pressão no fundo do oceano, mas não o faz grudar no fundo do mar. "Mas se a pressão não importa, e as taxas de fluxo através dos sistemas FO e RO são semelhantes, o que poderia explicar a disparidade na resistência à incrustação?

Rebocar, que agora é um ITRI-Rosenfeld Postdoctoral Fellow no Lawrence Berkeley National Laboratory e será um professor de engenharia mecânica no Olin College no próximo ano, desenvolveu uma nova abordagem para isolar os efeitos da pressão daqueles de outras diferenças entre FO e RO. Seu método envolve a operação de um sistema FO, que usa osmose para puxar a água através das membranas, em uma faixa de pressões de até 40 atmosferas.

"Medimos as taxas de incrustação e os resultados de limpeza, e até mesmo vídeo gravado das membranas sendo limpas em várias pressões, e não encontramos nenhum efeito de pressão, ", diz ela. Muitos jornais muito citados afirmaram que a pressão era o problema, mas os experimentos anteriores também variaram a concentração da solução na parte de trás da membrana ao variar a pressão. Ao aumentar a pressão em ambos os lados de um sistema FO sem alterar nada mais, o estudo do MIT revelou que a pressão por si só não exacerba a incrustação ou impede a limpeza.

Agora que a alta pressão - que é essencial para o RO funcionar - mostrou não afetar a incrustação, os pesquisadores devem procurar outras razões pelas quais processos como FO são mais resistentes a incrustação e ver se eles podem ser aplicados a RO, Tow diz.

"A observação de que as membranas de osmose direta são mais fáceis de limpar é bastante robusta, "diz Lienhard, quem é Abdul Latif Jameel Professor de Água e Alimentos e diretor do Centro para Água Limpa e Energia Limpa e do Laboratório Mundial de Água e Segurança Alimentar Abdul Latif Jameel. Mas o novo estudo mostra que a resistência à incrustação de FO "não é intrínseca à sua baixa pressão. A diferença deve estar relacionada a outros fatores que poderiam ser potencialmente transferíveis para RO. Isso precisa ser entendido, " ele diz.

“A esperança é que com mais trabalho, isso poderia tornar mais fácil limpar as membranas de RO, "diz ele. Atualmente, mitigar o entupimento da membrana é uma parte importante das despesas operacionais não energéticas de uma planta de RO, que representam cerca de um quarto do custo da água dessalinizada. Qualquer melhoria na resistência à incrustação pode impactar significativamente o custo da água.

É possível que a diferença em como a incrustação afeta as membranas RO e FO tenha a ver com a camada de suporte da membrana, que é o apoio no fino, camada de filtragem de sal. Em FO, as interações entre a camada de suporte e a solução concentrada que ela toca influenciam o padrão de fluxo de água através da membrana, que dita a forma como as incrustações se acumulam na superfície da membrana, Tow diz. Futuras membranas de RO podem ser projetadas de modo que a incrustação ocorra em um padrão semelhante ao de FO, ou até mesmo um novo padrão otimizado para fácil limpeza.

Melhorar a capacidade de limpar as membranas usadas pode afetar não apenas o custo da água, mas também a confiabilidade das usinas de dessalinização, Lienhard aponta. "As paralisações por causa de uma proliferação de algas podem, às vezes, interromper o fornecimento de água por dias ou semanas a fio, "diz ele. Compreendendo os fundamentos da incrustação, incluindo o efeito da pressão, permite o desenvolvimento de métodos de mitigação de incrustação mais direcionados.

Esta pesquisa "desmascara a crença amplamente difundida de que a pressão causa ou complica a incrustação nos sistemas de osmose reversa, e a crença correspondente de que a falta de pressão reduz a incrustação nos sistemas de osmose direta, "diz Richard L. Stover, diretor da International Desalination Association, que não estava envolvido neste trabalho. O novo estudo, ele diz, "identifica suposições que distorceram ou limitaram a interpretação de dados de teste em estudos [anteriores] e contribuiu com novos dados experimentais que comprovam de forma clara e definitiva sua tese."

Os novos mecanismos que os pesquisadores propõem "explicam qualitativamente a resistência à incrustação observada em sistemas FO, fornecendo uma direção clara e excelente contexto para pesquisas futuras, "Stover diz." No geral, o artigo representa uma contribuição significativa para a compreensão mais ampla dos mecanismos de incrustação da membrana e sua possível redução. Simplificando, é um excelente trabalho ".

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.