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A partir do início da década de 1970, em adição aos processos clássicos de separação como destilação, filtração, absorção, troca iônica, centrifugação, extração por solvente, cristalização e outros, surge uma nova classe de processos que utilizam membranas sintéticas como barreira seletiva. As membranas sintéticas surgem como uma tentativa de se imitar as membranas naturais, em particular quanto as suas características únicas de seletividade e permeabilidade. O desenvolvimento de processos de separação por membranas (PSM) e suas aplicações industriais são considerados relativamente recentes, principalmente levando-se em conta que fenômenos envolvendo membranas vêm sendo estudados há mais de um século. Na realidade o primeiro registro do qual se tem notícia sobre um estudo relativo a fenômenos que ocorrem com membranas, data de 1748 e se deve a um abade francês de nome Nollet (HABERT et al., 2006). Em sua experiência, Nollet emerge em água pura um copo cheio de um destilado de vinho (considerado uma simples mistura de água e etanol), vedado com uma membrana (bexiga) de origem animal. Após certo tempo ele observou que a bexiga se estufou, chegando mesmo a romper em alguns casos. Esta experiência evidenciou, pela primeira vez, as características de permeabilidade e seletividade de uma membrana. A interpretação desse fenômeno é relativamente simples hoje: a diferença de potencial químico da água entre os dois lados da membrana (bexiga animal) determina um fluxo preferencial da água para dentro do copo. Como a bexiga é elástica, no início ela se expande, mantendo a pressão dentro do copo constante e, aproximadamente, igual à pressão atmosférica. Numa etapa posterior, sua elasticidade já é menor e a pressão no interior do copo começa a aumentar, fazendo com

que o potencial químico da água aumente. Caso a membrana resista a essa pressão sem se romper, o potencial químico da água no interior do copo pode se igualar ao potencial químico da água do recipiente externo ao copo, atingindo-se assim, o equilíbrio termodinâmico. A fundamentação teórica para essa explicação, no entanto, é bem mais recente (HABERT et al., 2006).

Os PSM começaram, realmente, a deixar de ser uma curiosidade científica e de laboratório no final da década de 50. Nesta época os EUA decidiram investir em projetos de pesquisa que tinham por objetivo principal a dessalinização de águas. A partir de então, o interesse sobre o assunto aumentou consideravelmente, pois a melhoria na seletividade e a redução da resistência ao transporte das espécies permeantes representavam alterações que poderiam tornar os PSM, em geral, e não somente a dessalinização de águas, mais competitivos do que os processos de separação tradicionais. Então, no final da década de 60, os PSM, tais como, a microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), e osmose inversa (OI), consolidaram-se como uma alternativa importante em nível industrial e tornaram-se técnicas de separação viáveis e seguras quando comparadas aos processos de separação tradicionais (SALEM et al., 1995; GUO et al., 2010). Os PSM apresentam como principais atrativos, comparados aos processos convencionais de separação, o baixo consumo de energia, a redução do número de etapas em um processamento, maior eficiência na separação, alta qualidade do produto final, baixo impacto ambiental e pequeno capital de investimento (ARTHANAREESWARAN et al., 2004; BAKER, 2004; MOHAMMADI et al., 2008). Estes processos têm sido utilizados nos mais diferentes setores de atividades da indústria e suas principais aplicações são apresentadas na Tabela 2:

Tabela 2 - Exemplos de aplicações dos PSM (adaptado de HABERT et al, 2006).

Área Aplicações Referências

Quebra do azeótropo benzeno/hexano (DIESTEL et al., 2012) Química Recuperação de H2 (CHEN et al., 2014)

Fracionamento CO2/CH4 (WU et al., 2014) Desidratação de etanol (ZHAO et al., 2013) Biotecnologia

e

Purificação de enzimas (MÖNSTER et al., 2013) Farmacêutica Fracionamento de Proteínas (VOSWINKEL;KULOZIK,

2014)

Biorreatores a membranas (BASU et al., 2014) Alimentícia e Concentração do soro de queijo (HINKOVA et al., 2012) Bebidas Concentração de suco de frutas (SOUZA et al., 2013)

Clarificação e desalcoolização de vinhos e cervejas

(SEVERO Jr. et al., 2007) Dessalinização de águas (SALCEDO-DIAZ et al.,

2014) Tratamento

de Eliminação de traços de orgânicos (NGUYEN et al., 2013)

Águas Água ultrapura (KHAJAVI et al, 2010)

Para que ocorra o transporte de uma espécie química através de uma membrana é necessário que uma força motriz atue sobre a mesma, a qual pode ser um gradiente de concentração, de pressão ou elétrico (SMOLDERS, et al, 1976) como apresentado na Tabela 3.

Tabela 3 - Classificação dos PSM quanto à força motriz (adaptado de SCOTT, 1995).

Processos Força Motriz Tamanho _{de poro} Aplicações Microfiltração

(MF) Pressão (0,1 - 2 bar) 0,1–10 µm

Esterilização, clarificação Ultrafiltração

(UF) Pressão (1 - 7 bar) 1–100 nm

Concentração de macromoléculas Nanofiltração (NF) Pressão (5 - 20 bar) 2 nm Separação de compostos orgânicos e sais Osmose Inversa (OI) Pressão (10 - 100

bar) < 2 nm Dessalinização de águas Pervaporação Pressão de vapor Não porosa Separação de misturas _{de líquidos voláteis}

Permeação de gases Pressão ou gradiente de concentração <1 µm Separação de misturas de gases Eletrodiálise Potencial elétrico Não porosa Separação de íons

Conforme os dados da Tabela 3, para os processos que utilizam gradiente de pressão como força motriz (MF, UF, NF e OI), observa-se um aumento desse gradiente à medida que o tamanho de poro diminui, ou seja, o tamanho de partícula a ser retida também diminui. De acordo com Coutinho et al.(2009), a MF separa moléculas com massa molar entre 0,025 e 10 µm, a UF entre 1 e 300 kDa, a NF entre 350 e 1000 Da, enquanto a OI separa partículas com massa molar abaixo de 350 Da.

A eficiência de uma membrana é determinada por sua seletividade e seu fluxo de permeado (MULDER, 1991). O fluxo é o volume de permeado por unidade de tempo e área de membrana. No caso de misturas aquosas diluídas contendo um solvente e um soluto, a seletividade diz respeito à retenção. No caso de misturas gasosas e líquidas, a seletividade diz respeito ao fator de separação, que é o quociente entre a relação da composição dos componentes no permeado e sua relação na corrente de alimentação. O fator de enriquecimento é definido pela relação entre a concentração da espécie mais permeável no permeado e na alimentação. A seletividade à passagem de solutos presentes em soluções homogêneas está relacionada com as dimensões da molécula ou partícula, o tamanho dos poros da membrana, a difusividade do soluto no material que constitui a membrana e as cargas elétricas associadas.

Diferentes tipos de materiais podem ser utilizados na preparação de membranas, desde materiais inorgânicos como as cerâmicas, metais e vidros, bem como os materiais orgânicos que incluem vários tipos de polímeros.

Diferentes técnicas são utilizadas na preparação das membranas sintéticas (HABERT et al., 2006). Entre as técnicas mais importantes temos:

a) sinterização: moldagem e/ou fusão incipiente de pós metálicos, óxidos ou polímeros;

b) estiramento de filmes: estiramentos de filmes poliméricos semi-cristalinos dando origem a microporos;

c) inversão de fases (IF): a solução polimérica é induzida a separação de fases. A principal vantagem é assimetria na seção transversal da membrana e a variedade na morfologia que pode ser obtida;

d) coating: polimerização a plasma, interfacial ou in-situ.

Embora se conheçam alguns métodos para a preparação de membranas, o espalhamento da solução polimérica sobre um suporte adequado e a imersão em um banho de não-solvente é o mais comum para preparação de membranas poliméricas conhecido como inversão de fases (IF) (MULDER, 1991). O processo de formação de membranas

pela técnica de IF pode ser realizado a partir de três componentes: solvente e polímero são usados para preparar a solução e um não solvente é usado no banho de coagulação. Alguns parâmetros específicos de preparo podem influenciar diretamente as propriedades de separação das membranas (REUVERS et al., 1987), como, por exemplo:

a) tipo de polímero e sua concentração; b) solvente utilizado;

c) técnica de aplicação da solução polimérica; d) condições de evaporação do solvente; e) condições do banho de IF e

f) adição de componentes extras tais como, aditivos à solução polimérica ou ao banho de coagulação.

Através da escolha destes parâmetros são formadas membranas simétricas ou assimétricas com diversas estruturas de poros (BINDAL et al., 1996). O processo de IF pode ser realizado a partir de diferentes técnicas, tais como, a evaporação do solvente, precipitação em atmosfera de vapor e precipitação por imersão. Devido à troca de solvente e não-solvente presente no banho de coagulação ou na atmosfera, a composição no filme polimérico varia e a separação de fases é induzida (KOOLS, 1998). A maioria das membranas obtidas por IF são preparadas através da precipitação por imersão, onde ocorre a troca de massa entre o banho de precipitação e a solução polimérica (HABERT et al., 2006). Neste processo, a solução polimérica homogênea é separada em duas fases: uma fase sólida rica em polímero, a qual forma a matriz da membrana e uma fase líquida pobre em polímero a qual forma a estrutura porosa (BARZIN;SADATNIA, 2008). Após a imersão do filme polimérico no banho de coagulação contendo o não-solvente, este irá difundir para a solução polimérica, indicado pelo fluxo de não-solvente JNS, enquanto o solvente irá difundir para o banho, indicado pelo fluxo de solvente Js, como ilustrado na Figura 13. A força motriz para este processo é a diferença de potencial químico existente entre o filme e o banho. A transferência de massa entre o solvente e o não solvente é um fator determinante na morfologia das membranas e na compreensão dos fenômenos envolvidos na síntese das mesmas (CARVALHO et al., 2001).

Figura 13 - Esquema do processo de inversão de fases (Js = fluxo de solvente; JNS = fluxo de não-solvente.

Fonte: CARVALHO et al., 2001.

Durante a IF, a separação da solução polimérica pode ser induzida através da sorção de não-solvente da atmosfera, evaporação do solvente a partir do filme, troca de solvente e não-solvente com o banho de coagulação, ou a combinação destes. Geralmente, o não solvente utilizado para o polímero no processo de IF é a água, pois apresenta baixa massa molar e baixa viscosidade o que facilita o processo de separação, devido à rápida transferência de massa entre solvente e não solvente (HAN et al., 2009).

A estrutura morfológica das membranas tem um grande efeito no seu comportamento e na sua resistência mecânica. As membranas podem ser classificadas em simétricas ou assimétricas dependendo da sua estrutura como mostra a Figura 14. Membranas simétricas apresentam as mesmas características morfológicas ao longo de sua espessura. Membranas assimétricas que se caracterizam por uma região superior muito fina, de aproximadamente 1 µm, chamada pele ou toplayer, suportada por uma estrutura porosa, a qual oferece menor resistência a passagem do permeado. Quando ambas as estruturas são constituídas do mesmo material são chamadas de integrais, e caso sejam formadas por materiais diferentes são chamadas de compósitas. Ainda do ponto de vista morfológico, as membranas podem ser divididas em duas categorias distintas: densas e porosas. São consideradas densas quando o transporte dos componentes envolve um estágio de dissolução e difusão através do material que a constitui, e porosa quando o transporte ocorre de forma contínua através de seus poros (MULDER, 1996).

Banho de Precipitação Solução Polimérica Placa de Vidro

Figura 14 – Membranas simétricas (a) e membranas assimétricas (b).

Fonte: HABERT et al., 2006.

Modificações na morfologia e nas propriedades de transporte das membranas podem ser realizadas por meio de variações nas suas condições de preparo (HABERT et al., 2006).

a) Tempo e temperatura de evaporação do solvente: A técnica de precipitação por evaporação pode ser baseada na evaporação do solvente presente na solução polimérica para promover a IF. Para a formação da membrana, o solvente é evaporado a partir da solução polimérica, aumentando a concentração do polímero até a obtenção da membrana na forma de um filme fino. A exposição do filme à temperatura induz o sistema ao processo de IF (KESTING, 1985).

b) Composição do banho de coagulação: Quando solvente é adicionado ao banho de coagulação, o gradiente de força para ocorrer a troca entre solvente e não-solvente é reduzido, ou seja, aumenta a resistência a transferência de massa (WEINBERG, 1988).

c) Uso de aditivos: Geralmente, os aditivos formam membranas de estruturas esponjosas, reduzem a formação de nódulos e melhoraram a formação dos poros e sua interconectividade, com consequente aumento de sua permeabilidade. Esses aditivos, tais como, o poli(vinil pirrolidona) (PVP) e o poli(etileno glicol) (PEG), são utilizados como agentes precipitantes e agentes formadores de poros (CHAKRABARTY et al., 2008; SALJOUGHI et al.,2009).

d) Concentração do polímero: Aumentando a concentração de polímero na solução, a viscosidade também aumenta, ocorrendo redução na taxa de troca entre solvente/não- solvente no banho de separação, o que influencia fortemente a estrutura final da membrana (BARZIN;SADATNIA, 2007).