Avaliação experimental e modelagem semi-empírica de um sistema de dessalinização por osmose reversa de baixa capacidade

Abstract

Resumo: A escassez de água potável tem se tornado uma das maiores preocupações mundiais. Embora seja um recurso natural e renovável, a quantidade de água doce disponível é extremamente pequena em relação à água salgada dos oceanos. A dessalinização da água do mar tem se mostrado uma das alternativas para a produção de água potável, porém apresenta um alto custo energético ao ser comparado aos processos de tratamento de água doce. As tecnologias de dessalinização são divididas de acordo com o tipo de energia empregada na separação podendo ser proveniente de fonte térmica ou mecânica. O processo mais utilizado é a osmose reversa, que depende da energia mecânica fornecida pelo bombeamento da água através de uma membrana semipermeável. O presente trabalho apresenta a análise termodinâmica de um processo de osmose reversa comercial de baixa capacidade. Para tanto, uma bancada experimental foi projetada e construída para obter os parâmetros chave do processo, necessários para a análise e validação de um modelo termodinâmico. Tal bancada é composta por um sistema de osmose reversa comercial de baixa capacidade, no qual foi realizado o monitoramento das seguintes variáveis: concentração de NaCl, vazão, temperatura, pressão e potência de bombeamento. Os testes foram realizados de acordo com um experimento fatorial completo, com a finalidade de se apontar os principais fatores que influenciam os indicadores de desempenho, como a eficiência termodinâmica de segunda lei e a rejeição salina. Um modelo semi-empírico foi proposto para a obtenção dos indicadores de desempenho, em regime permanente, em função da concentração de água de alimentação, das características da bomba e da membrana. O modelo apresentou uma concordância com os dados experimentais da ordem das incertezas de medição. Verificou-se que a concentração da água de alimentação apresenta o maior efeito sobre a eficiência de segunda lei e a rejeição salina. A tensão fornecida à bomba e a vazão nominal da membrana apresentam os menores efeitos sobre os indicadores de desempenho.

Abstract: Shortage of drinking water has become one of the major concerns in the world. Although water is a natural and renewable resource, the amount of fresh water available is significantly smaller than the saline water in the oceans. The desalination of sea water is an alternative for drinking water production, but it demands high energy costs. The technologies for desalination are divided according to the type of energy employed in the separation, which may be from a thermal or a mechanical source. The most widely used process is the reverse osmosis, which depends on the mechanical energy required for pumping water throughout a semipermeable membrane. The present work presents the thermodynamic analysis of a small capacity reverse osmosis system commercially available. An experimental apparatus was designed and constructed to obtain the key process parameters required for the analysis and validation of the thermodynamic model. The rig was comprised of a small capacity reverse osmosis unit, in which the following variables are monitored and recorded: NaCl concentration, flow rate, temperature, pressure and pumping power. Experiments were carried out following a full factorial design in order to point out the most influencing factors in the performance indicators, such as Second Law efficiency and salt rejection. A semi-empirical model for predict the performance indicators as a function of the feed water concentration, and the pump and membrane characteristics, for a steady-state condition, was proposed. The model presented an agreement with the experimental data, which is within the range of the measurement uncertainties. It was found that the feed water concentration has the major effect on second law efficiency and salt rejection. The voltage supplied to the pump and the membrane showed the smallest effects on the performance indicators.