Métodos de purificação
Métodos de purificação
da água
· Destilação
· Permuta iónica
· Osmose inversa
· Adsorção por carbono
activado
· Filtragem microporosa
· Ultrafiltragem
· Foto-oxidação
Destilação
A
destilação é um processo há muito estabelecido para a purificação da água, no
qual a água é aquecida até evaporar e o vapor é condensado e recolhido. O
equipamento é relativamente económico, mas tem um grande consumo de energia –
usa tipicamente 1kW de electricidade por litro de água produzida. Dependendo do
design do destilador, a água destilada pode ter uma resistividade de
aproximadamente 1 MΩ-cm e será estéril quando acabar de ser produzida se
for utilizado equipamento especificamente concebido para o efeito, mas não
continuará estéril sem um armazenamento muito cuidadoso. Para além disto,
impurezas voláteis como dióxido de carbono, sílica, amoníaco e uma variedade de
compostos orgânicos passarão para a água destilada.
Quais são as desvantagens
da destilação?
A
destilação produz água purificada lentamente. Não é um processo de resposta a
pedido. Por este motivo, é necessário destilar uma determinada quantidade de
água e armazená-la para utilizar mais tarde. Este armazenamento da água
destilada pode constituir um problema se o reservatório em que a água é armazenada
não for fabricado num material inerte. Os iões ou plastificantes serão
lixiviados do reservatório e irão recontaminar a água. Para além disto, as
bactérias desenvolvem-se muito bem em água que esteja parada durante algum
tempo.
Para manter a esterilidade, são usadas garrafas de armazenamento estéreis e a
água recolhida é colocada num autoclave, mas uma vez aberta a garrafa fica
exposta a bactérias e a contaminação começa.
Em áreas de água dura, os destiladores tem de ser limpos frequentemente com
ácido, devido à acumulação de incrustações, a não ser que a água de alimentação
seja pré-tratada por amaciamento ou osmose inversa.
Permuta iónica
A permuta iónica é muito usada em laboratórios
para fornecer água purificada conforme necessária. Os desionizadores de
laboratório incorporam invariavelmente cartuchos de leitos mistos de resinas de
permuta iónica que ou são devolvidos a uma estação de regeneração para
recarregar quando ficam exaustos ou então são descartados. A ELGA foi pioneira
no que toca ao conceito de regeneração colectiva de resinas de permuta iónica e
as suas estações de regeneração estão entre as maiores do mundo.
Aniões e
catiões presentes na água de alimentação são removidos pelas resinas de permuta
iónica e substituídos por iões de hidrogénio e hidróxilo da resina. Os iões de
hidrogénio e de hidróxilo combinam-se para formar moléculas de água.
Como funciona a permuta
iónica?
A permuta iónica troca iões de hidrogénio por
contaminantes catiónicos e iões de hidróxilo por contaminantes aniónicos
presentes na água de alimentação. Os leitos de resinas de permuta iónica são
constituídos por pequenos grânulos esféricos através dos quais passa a água de
alimentação. Ao fim de algum tempo, os catiões e aniões terão substituído a
maior parte dos pontos de hidrogénio e hidróxilo activos nas resinas e os
cartuchos necessitarão de ser substituídos ou regenerados.
Quais são as vantagens da
permuta iónica?
A permuta iónica tem muitas vantagens
relativamente à destilação no que respeita à produção de água purificada. Em
primeiro lugar, é um processo de resposta a pedido; a água fica disponível
quando é necessária. Em segundo lugar, quando se usam materiais de resina de
elevada pureza, efectivamente, todo o material iónico é removido da água para
dar uma resistividade máxima de 18,2 MΩ-cm (a 25ºC). Pequenos fragmentos
dos materiais de resina de permuta iónica podem ser expelidos do cartucho pela
água que passa através do mesmo. A permuta iónica deve, portanto, ser usada
juntamente com filtros se se desejar uma água isenta de partículas. Dado que as
bactérias se desenvolvem rapidamente em água parada, os cartuchos podem ficar
contaminados se não forem regularmente usados. O problema é atenuado pela
recirculação frequente da água para inibir o desenvolvimento de bactérias e
pela substituição ou regeneração regular das resinas, dado que os químicos
regenerantes são desinfectantes poderosos.
A permuta iónica remove apenas compostos orgânicos polares da água e os
orgânicos dissolvidos podem sujar os grânulos de permuta iónica, reduzindo a
sua capacidade. Quando é necessária água pura em termos orgânicos e
inorgânicos, a combinação de osmose inversa seguida de permuta iónica é
especialmente efectiva.
Tem havido muitas tentativas de ultrapassar algumas das limitações da permuta
iónica e da destilação. Nalguns sistemas, a destilação precedia a permuta
iónica – os cartuchos duram muito mais, mas o problema das bactérias mantém-se.
Noutros, a permuta iónica precedia a destilação – mas nesse caso mantêm-se os
problemas de armazenamento e de não ter água a pedido.
Electrodesionização
A
electrodesionização (EDI) é um processo de purificação conduzido electricamente
e oferece uma combinação de resina de permuta iónica e membranas selectoras de
iões. A EDI, que é geralmente associada à osmose inversa, oferece uma
alternativa útil a outros métodos de purificação. Proporciona água reagente
para laboratório em grandes volumes sem a necessidade de cartuchos de
desionização. Esta abordagem evita a redução na qualidade da água produzida
associada a cartuchos à medida que estes vão ficando exaustos, bem como os
custos associados à substituição dos cartuchos.
Como funciona a
electrodesionização?
A EDI desenvolveu-se a partir da
electrodiálise (ED). O princípio da ED é que a água é purificada numa célula que
contém dois tipos de membranas selectoras de iões – permeáveis a catiões e
permeáveis a aniões – colocadas entre um par de eléctrodos. Quando é aplicado
um potencial eléctrico directo através da célula, os catiões presentes na água
são atraídos para o cátodo com carga negativa e os aniões são atraídos para o
ânodo com carga positiva. Os catiões podem atravessar a membrana permeável a
catiões, mas não a membrana aniónica. Da mesma forma, os aniões podem
atravessar a membrana permeável a aniões, mas não a membrana catiónica. O
resultado é a movimentação de iões entre as câmaras e a água numa secção pode
ficar desionizada enquanto a água que se encontra noutra secção fica
concentrada.
Na prática, a ED só pode ser usada economicamente para produzir água de condutividade
relativamente alta (200 µS/cm ou superior) dadas as tensões eléctricas
proibitivamente altas que são necessárias para movimentar os iões numa água
cada vez mais pura.
Este problema é resolvido na tecnologia EDI preenchendo os espaços entre as membranas
com resinas de permuta iónica. As resinas proporcionam uma via de fluxo
condutivo para a migração dos iões, permitindo que a desionização seja
praticamente completa e resultando na produção de água de elevada pureza. Outra
vantagem da EDI consiste no facto de que a electrólise contínua da água que
ocorre na célula produz iões de hidrogénio e de hidróxilo. Estes iões mantêm as
resinas num estado altamente regenerado, evitando assim a necessidade de
reactivação química. As resinas usadas nos sistemas EDI podem consistir em
câmaras separadas de grânulos de aniões ou catiões, camadas de cada um dos
tipos numa única câmara ou uma mistura íntima de grânulos de catiões e de
aniões.
Alguns sistemas EDI têm incorporados leitos de resina mistos numa pluralidade
de células estreitas. Isto é especialmente eficaz em instalações de grande
escala para aplicações farmacêuticas e outras. A Vivendi Water Systems, a
empresa matriz da ELGA, é a principal fornecedora de uma vasta gama de
tecnologias CDI que dão resposta a estas aplicações em grande escala.
O processo ADEPT (Tecnologia de Desionização Avançada por Purificação
Eléctrica) da ELGA utiliza leitos separados de resinas catiónicas e aniónicas e
também um leito de resinas intimamente misturadas. Os leitos separados de
resinas catiónicas e aniónicas estão alojados em células grandes que
proporcionam uma via de fluxo para os iões
O processo de passagens múltiplas no qual a
água de alimentação pré-purificada por osmose inversa passa por um leito de
permuta catiónica, um leito de permuta aniónica e um leito de resinas mistas é
análogo a muitos sistemas de purificação de água de elevada pureza em grande
escala.
Tipicamente, a água produzida tem uma resistividade de 10-18 MΩ-cm (a
A EDI complementa muito eficazmente a osmose inversa. A OI é um processo
baseado na pressão no qual a água perde os seus contaminantes à medida que passa
através da membrana. Não elimina, contudo, todas as espécies iónicas e não pode
remover contaminantes dissolvidos como o dióxido de carbono. A EDI remove o
dióxido de carbono e também outras espécies fracamente ionizáveis, tais como a
sílica, ionizando-as e fazendo-as passar através da membrana.
Osmose inversa
A osmose inversa (OI) é um processo que
resolve muitos dos problemas da destilação e da permuta iónica. Para explicar a
osmose inversa, vejamos primeiro a osmose. Este é um processo natural que
ocorre sempre que uma solução diluída é separada de uma solução concentrada por
uma membrana semi-permeável. A água, levada por uma força causada pela diferença
na concentração – a pressão osmótica – passa através da membrana para a solução
concentrada. O fluxo de água continua até a solução concentrada ficar diluída e
a contra-pressão impedir a continuação do fluxo através da membrana (equilíbrio
osmótico).
Quando é aplicada uma pressão superior à pressão osmótica no lado da membrana
onde se encontra a maior concentração, o sentido normal do fluxo osmótico é
invertido, a água pura passa da solução concentrada através da membrana e é
assim separada dos seus contaminantes. Este é o princípio básico da osmose
inversa (às vezes chamada hiperfiltração).
Na prática, a água de alimentação é bombeada para um recipiente sob pressão que
contém uma espiral ou um conjunto de fibras ocas de membranas semi-permeáveis.
A água purificada passa através da membrana para formar o “permeato”. Os
contaminantes ficam acumulados na água residual, chamada o “concentrado”, que é
escoada continuamente para a conduta de drenagem. A geração mais recente de
membranas de osmose inversa em compósito de película fina de poliamida que
substituíram as membranas celulósicas mais antigas remove 95-98% de iões
inorgânicos, juntamente com praticamente todos os contaminantes não iónicos e
moléculas orgânicas grandes com um peso molecular superior a 100. Os gases
dissolvidos não são removidos.
As membranas em compósito de película fina são usadas em todo o equipamento de
laboratório para osmose inversa da ELGA.
Devido a esta excepcional eficiência purificadora, a osmose inversa é uma
tecnologia muito eficiente em termos de custo para um sistema de purificação de
água. É, no entanto, limitada pela velocidade de produção relativamente lenta e
é, portanto, normalmente usada para encher um reservatório antes da utilização
ou de mais purificação. A osmose inversa tende a proteger o sistema de
bactérias e pirogénios. É muitas vezes combinada com a permuta iónica para
melhorar consideravelmente a qualidade da água produzida.
Meios de adsorção
O carvão activado, preparado por pirólise de
cascas de coco, carvão ou grânulos de resina, remove o cloro através de um
mecanismo catalizador e os orgânicos dissolvidos por adsorção e encontra-se
frequentemente em dois locais num sistema de purificação de água. O carvão pode
ser usado sob a forma de grânulos ou, mais convenientemente, sob a forma de
bloco. Dado que as membranas de osmose inversa em compósito de película fina
podem ser danificadas por exposição excessiva ao cloro livre e, em menor
escala, sujas por orgânicos dissolvidos, o carvão activado é muitas vezes
colocado antes da membrana OI para remover estes contaminantes.
São também muitas vezes colocados filtros de carvão activado no circuito de
polimento de um sistema de purificação de água para remover vestígios de
orgânicos dissolvidos antes da permuta iónica final.
A ELGA usa outros meios de adsorção para além do carvão activado. O “Adsorb”,
por exemplo, é um produto que possui uma vasta gama de tamanhos de poros e
incorpora tanto o carvão como um material inorgânico. Consequentemente, o
Adsorb tem a capacidade de remover da água impurezas orgânicas e inorgânicas.
São também utilizadas no equipamento ELGA resinas macroporosas de permuta
aniónica (geralmente usadas na forma de cloro) que são especialmente eficazes
na remoção de contaminantes orgânicos grandes que ocorrem naturalmente, tais
como os ácidos húmico e fúlvico, da água de alimentação.
Filtragem microporosa
As membranas de filtragem microporosa opõem
uma barreira física à passagem de partículas e microorganismos e têm
classificações nominais absolutas até 0,1 mícron; alguns sistemas ELGA
incorporam também “filtros ultramicro” com uma classificação nominal de 0,05
mícron. A maior parte das águas não tratadas contém colóides, que têm uma
ligeira carga negativa (medida pelo potencial Zeta). O desempenho dos filtros
pode ser melhorado utilizando microfiltros que incorporam uma superfície
modificada que atrai e retém esses colóides que ocorrem naturalmente, que são
geralmente de dimensões muito inferiores às dos poros da membrana. São muito
usados em sistemas de tratamento de água microfiltros com um diâmetro absoluto
dos poros de 0,2 mícron. Estes filtros recolhem contaminantes, incluindo finos
de carvão provenientes de cartuchos de adsorção de orgânicos, partículas de
resina de cartuchos de permuta iónica e bactérias.
O filtro sub-mícron pode ser instalado na torneira de forma a que o último
filtro que a água atravesse antes de ser usada seja o filtro sub-mícron.
Uma alternativa consiste em incluir o filtro sub-mícron no circuito de
recirculação para remover continuamente as bactérias da água purificada. Os
filtros sub-mícron devem também ser colocados em pontos de utilização críticos
para uma protecção absoluta e para impedir a recontaminação do sistema por
bactérias que entrem por essa via.
As membranas microporosas são geralmente consideradas indispensáveis num
sistema de purificação de água, a não ser que sejam substituídas por um
ultrafiltro.
Ultrafiltragem
A ultrafiltragem utiliza uma membrana muito
semelhante na sua concepção à da osmose inversa, exceptuando que os poros do
ultrafiltro são ligeiramente maiores, de
Os ultrafiltros podem ser usados de forma semelhante à das membranas
microporosas, mas também podem ser instalados de forma a permitirem que uma
pequena porção da água de alimentação passe tangencialmente pela membrana para
minimizar a acumulação de contaminantes e o desenvolvimento de bactérias. A
ultrafiltragem é uma tecnologia excelente para assegurar a qualidade contínua
da água ultrapura no que toca a partículas, bactérias e pirogénios.
Foto-oxidação
A foto-oxidação usa radiação ultravioleta de grande intensidade para destruir bactérias e outros microorganismos e para separar e ionizar quaisquer compostos orgânicos para posterior remoção por cartuchos de permuta iónica. A radiação com um comprimento de onda de 254 nm é a que tem uma maior acção bactericida, enquanto a radiação com comprimentos de onda mais curtos (185 nm) é mais eficiente para a oxidação de orgânicos.