Carbono ativado: Aplicações de dessalinização

A primeira de uma série de cinco partes sobre as aplicações de carbono ativado, a dessalinização é discutida aqui. Com certas partes do mundo a sofrerem constantemente de um fraco abastecimento de água potável, o conceito de dessalinização é apelativo. Os métodos contemporâneos para remover o sal da água do mar são dispendiosos e intensivos em termos energéticos. A utilização de carbono ativado pode ajudar a aliviar algumas destas preocupações.

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Não só é essencial para a preservação da vida,
como garantir um bom abastecimento de água
é fundamental para o sucesso e estabilidade contínuos de um país. Com o aquecimento global a provocar o aumento das temperaturas que conduzem à seca e, portanto, à desidratação de seres humanos e animais e à insuficiência das culturas, a manutenção de um fornecimento constante de água limpa nunca foi tão importante. As plantas de dessalinização contemporânea utilizam água do mar (que é abundante) e através de um processo de filtração por filtros de tamanho, membranas e outros produzem suprimentos limpos e potáveis. A água do mar pode conter até 35 g de L-1 de sólidos dissolvidos(1).

O tipo principal de planta de dessalinização é a planta de osmose inversa. Isto força a água limpa através de uma membrana parcialmente permeável de um lugar de alta concentração de sal para um baixo. Isto usa energia elétrica. Também remove outros iões e impurezas da água salgada. No entanto, perde-se eficiência quando estas membranas ficam obstruídas ou bloqueadas por poluentes, organismos e microplásticos, por exemplo. As modernas plantas de osmose inversa operam apenas a cerca de 30% de eficiência, pelo que a necessidade de um regime de filtração pré-membrana é crucial.

As instalações de osmose inversa contemporânea empregam filtração passo a passo antes da membrana permeável para garantir um processo eficiente o mais possível. Com a ideia de reduzir a acumulação sólida no local da membrana, os requisitos energéticos podem ser reduzidos. As escolhas populares para os meios de filtração incluem antracite, areia e
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granular. Estas vias de filtração podem permitir um aumento de 35% da recuperação da água ao longo do ano em relação à não filtragem. Estes filtros multimédia podem processar até 40 metros cúbicos de água do mar por hora - muitas vezes produzindo cerca de 10 metros cúbicos de água potável(2).

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Adicionar GAC como filtro de osmose pré-reverso

Assim como com a antracite, a implantação do GAC como filtro pré-osmose é comum. Muitas vezes estes são usados ao lado uns dos outros para fornecer a filtração mais abrangente possível - vantajoso para proteger ainda mais o filtro, prático porque tanto GAC como antracite são materiais altamente resistentes. Este exemplo da sua utilização em conjunto é onde a eficiência global do sistema foi melhorada pelo GAC, removendo efetivamente os materiais orgânicos dissolvidos (até 70%) e o cTEP (até 90%) com melhorias globais da eficiência provenientes de um declínio limitado da permeabilidade(3). Quando usado como parte de uma configuração de ultrafiltração, os ganhos de eficiência são ainda maiores.

Para a remoção de resíduos bacterianos, GAC e antracite foram utilizados num estudo concorrente. Verificou-se que ambos são altamente eficazes como pré-tratamento para a dessalinização da água do mar nos casos em que a água do mar era rica em bactérias. Numa coluna fixa de cama montada com uma profundidade de cama de 1 m, ambas eram tão eficazes, mas a antracite tendia a permitir uma aglomeração mais bacteriana no topo do leito do filtro(4). De facto, a utilização do GAC como parte do sistema de filtração pré-membrana foi há muito considerada eficaz contra materiais biológicos(5).

Uma das principais vantagens para o GAC como filtro pré-membrana é a sua capacidade de reduzir a dose necessária de flocculantes. O GAC é capaz de remover mais de 70% dos compostos de baixo peso molecular - neutros e ácidos - o que reduz a biofouling da membrana. Nos sistemas convencionais, é normalmente necessária uma dose de cloreto ferrídico e sulfato poli-árrico (3 e 2 mg L-1 ) para garantir a remoção dos resíduos orgânicos através da floculação. A utilização do GAC como filtro reduz significativamente a quantidade de cloreto e sulfatos áridas para cerca de 1 mg de L-1 de forma consistente - reduzindo o custo e a complexidade(6).

A atividade microbiana no biofiltro GAC não é uma preocupação. O GAC reduz a quantidade de biofoulants através da adsorção e da biodegradação, sendo o material biológico desejável ter no filtro, uma vez que estes podem causar a degradação de outras moléculas poluentes(7). Os biofiltros GAC resultam consistentemente na redução da concentração de partículas exopolímeras transparentes e de carbono orgânico assimilável.

Até a água do mar contaminada com óleo é tratável com GAC. Naturalmente, é mais difícil e as grandes implementações devem considerar a utilização de outros materiais para remover o óleo, mas a investigação demonstrou que a filtragem do GAC pode remover até 98% do carbono orgânico dissolvido da água do mar contaminada com óleo contaminado(8). Isto representa um aumento impressionante sobre o que é possível apenas com a floculação de cloreto de ferro, que só foi capaz de remover um quarto de carbono orgânico dissolvido.

No geral, pode dizer-se, sem dúvida, que o GAC é uma via eficaz de tratamento do filtro da membrana da osmose pré-reversa que garante uma remoção adequada de compostos orgânicos dissolvidos, bactérias e outros, de forma a proteger a membrana.

Outro método de desionização é a desionização capacitiva da membrana, que utiliza uma configuração semelhante à eletrólise para desionizar líquidos em pequenas escalas. Embora muito foco esteja centrado nas identidades dos próprios elétrodos, a identidade do material que os separa não é. Os materiais comuns são fibras de aço inoxidável e papel de filtro. O GAC supera-os por uma grande margem de dessalinização. O GAC é capaz de dessalinizar a uma taxa de 513,4 mg L-1 h-1, enquanto valores de 374,1 e 297,9 mg L-1 h-1 foram observados para os materiais tradicionais respectivamente(9).

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Considerações Necessárias

O GAC não é uma bala de prata, e é frequentemente usado ao lado de outros métodos de tratamento por uma boa razão. Estudos demonstraram que, embora esmagadoramente eficaz como um tratamento pré-membrana, o GAC pode não ser tão eficaz contra contaminantes, tais como moléculas do tipo humics de baixo peso molecular que estão ligadas a polissacáridos e proteínas(10). Felizmente, o GAC é eficaz na maioria das outras linhas, incluindo e especialmente biodegradáveis e outros orgânicos que constituem a maioria dos contaminantes responsáveis pela insuposição.

Exemplos do mundo real

Embora os testes laboratoriais extensivos são úteis, nada pode superar a experiência recolhida no mundo real. O GAC é utilizado em vários locais do mundo como parte de um programa abrangente de dessalinização. Em Curaçao, nas Antilhas Holandesas, o GAC é usado para imobilizar espécies de boro depois de terem passado pela membrana da osmose inversa. Como ilha das Caraíbas, Curaçao depende da osmose inversa para uma grande parte dos seus requisitos de água potável. O GAC da fábrica de Curaçau é responsável pela remoção dos níveis de boro abaixo do limite legal de 0,3 mg L-1, e este processo fornece 50% da água da ilha(11).

A água do rio Brackish nas bacias dos rios Llobregat e Ter - perto de Barcelona - contém níveis elevados de matéria orgânica natural e trihalometanos. A filtração do GAC é usada antes de um processo de dessalinização de reversão de electrodiálise. Ao contrário da osmose inversa, o objetivo principal não é proteger uma membrana em si, mas a remoção de haloalkanes e resíduos orgânicos significa que o eletrólito é capaz de funcionar em condições muito mais adequadas(12). A planta é capaz de produzir 2,3 m3 s-1 de água potável para os 4,5 milhões de residentes que nela dependem.

Mais aplicável ao mundo em desenvolvimento é a dessalinização solar. Isto também não é baseado em membrana e pode ser descrito como um método mais cru - mas mais robusto - . Como um sistema de dessalinização solar depende de água fervente e condensada, é imperativo que as únicas coisas que a água contém sejam água e sal. O carbono ativado granular é usado como um filtro de ampla gama para remover uma infinidade de contaminantes. Este filtro adsorvado poroso conduz a um melhor desempenho solar, a um menor custo de funcionamento e a menos emissões globais também(13).

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Resumo

  • O carbono ativado granular é um filtro amplamente utilizado e útil para uma variedade de aplicações
  • Com base na sua porosidade e química de superfície única, encontra uso em aplicações de dessalinização como parte da via de pré-tratamento, muitas vezes ao lado de materiais como antracite e areia
  • A dessalinização é um dos métodos mais estudados e amplamente utilizados para garantir o abastecimento de água potável
  • Como pré-tratamento, o GAC atua para proteger a membrana do filtro da osmose inversa - garantindo que pode operar inabalável e imperturbável por moléculas que não são sal e água
  • A utilização de um processo de pré-tratamento significa que é necessária menos energia para a osmose inversa e a membrana dura mais tempo - com até 35% mais água potável a ser produzida como resultado
  • A utilização do GAC como filtro pré-membrana é hoje utilizada com sucesso nas Antilhas Holandesas para a osmose inversa e em Espanha para métodos de dessalinização de electrodiálise inversas
  • Também é útil na desionização capacitiva da membrana, superando as tecnologias tradicionais de separação
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Referências

1 S.-H. Kim et al., Dessalinnation and Water Treatment, 2011, 32, 339

2 Departamento do Exército, Manual Técnico de Dessalinização de Água, Washington, D.C., 1986

3 S. Laborie et al., Dessalinnation, 2016, 383, 1

4 G. Naidu et al., A ecologia. Eng., 2013, 60,370

5 S. Vigneswaran et al., Dessalinnation, 2009, 247, 77

6 S. Vigneswaran et al., Dessalinnation, 2014, 354, 9

7 S. Vigneswaran et al., Dessalinnation, 2013, 309, 254

8 W.-H. Kim e M. Okada, O Kor. J. Water Env., 2004, 20,447

9 P. Liang et al., Dessalinnation, 2016, 381, 95

10 C. G. Dosoretz et al., Water Res., 2008, 42, 1595

11 V. Bonnélye et al., Dessalinnation, 2007, 205, 200

12 F. Valero e R. Arbós, Dessalinnation, 2010, 253, 170

13 G. B. Abdelaziz et al., Process Safety Environ. Proteção, 2021, 147, 1052