Osmose reversa assistida osmoticamente, simulada para atingir altas concentrações de solutos, com baixo consumo de energia

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13741 (2022) Citar este artigo

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A eletrossíntese microbiana (MES) é uma tecnologia emergente para o tratamento sustentável de águas residuais. A solução diluída de acetato, produzida via MES, deve ser recuperada, pois soluções diluídas podem ser caras para armazenar e transportar. O acetato é caro e prejudicial ao meio ambiente para ser recuperado por métodos evaporativos com uso intensivo de calor, como a destilação. Em busca de uma melhor economia energética, um sistema de separação por membranas é simulado para elevar a concentração de 1 a 30% em peso, a uma pressão hidráulica de aproximadamente 50 bar. O concentrado é então simulado para ser seco por calor. A osmose reversa (RO) pode aumentar a concentração de acetato para 8% em peso. Uma nova adaptação de osmose reversa assistida osmoticamente (OARO) é então simulada para aumentar a concentração de 8 para 30% em peso. A inclusão do OARO, em vez de uma unidade RO independente, reduz a necessidade total de calor e energia elétrica por um fator de 4,3. Ele aumenta o requisito de área da membrana por um fator de 6. As simulações OARO são conduzidas pelo modelo de polarização de concentração interna (ICP). Antes de o modelo ser utilizado, ele é ajustado aos dados experimentais do OARO, obtidos da literatura. O número de estrutura da membrana de 701 µm e o coeficiente de permeabilidade de 2,51 L/m2/h/bar são determinados a partir deste exercício de ajuste de modelo.

A eletrossíntese microbiana (MES), é uma tecnologia emergente de tratamento de águas residuais, onde o ácido acético (AA) é o subproduto mais amplamente estudado2,19,36. Gadkari et al.20 investigaram MES, para produção renovável de acetato, através do consumo de dióxido de carbono residual, produzido a partir de outros processos. O maior obstáculo a esta adaptação do processo MES foram as baixas concentrações do produto, especialmente no modo de operação contínua10,48. A recuperação do acetato sob concentrações tão baixas revelou-se inviável. Além disso, o AA produzido está sob investigação como substrato para processos MES, para produzir combustível e outros produtos caros21. O substrato não utilizado deve ser removido, para atender às autorizações ambientais.

A separação do AA da água é complicada, cara e ambientalmente onerosa42,62,64. Se um mol de hidróxido de sódio for adicionado para cada mol de AA na solução, forma-se o sal acetato de sódio, que é muito menos permeável que o AA. Portanto, pode ser separado por osmose reversa (RO), com muito mais eficiência. O sal produzido é comercializável, é mais caro que o ácido acético e pode ser convertido novamente em seus correspondentes ácidos graxos voláteis e álcool. A solução de 1% em peso de acetato de sódio é assumida como uma concentração otimista, mas realista, para a alimentação do sistema de separação, investigado aqui.

A destilação e a secagem por calor estão entre as técnicas de separação amplamente utilizadas nas indústrias de processo. Tais sistemas de separação com uso intensivo de calor foram considerados viáveis, em parte devido à disponibilidade de calor não renovável e de baixo custo. São preferidas tecnologias de separação mais eficientes em termos energéticos, que possam ser alimentadas de forma renovável, tanto por razões económicas como ambientais. Para concentrar soluções aquosas, um exemplo de técnica adequada é um sistema de separação por membrana com energia renovável. Tais sistemas são muitas vezes mais eficientes em termos energéticos do que as alternativas evaporativas, devido ao calor latente de evaporação invulgarmente elevado da água.

Quando uma membrana semipermeável é colocada entre duas soluções de diferentes concentrações molares, a água permeia do lado de menor concentração da membrana para o lado de maior concentração. Este fenômeno é conhecido como osmose direta (FO). O fluxo de água através da membrana pode ser obstruído pela aplicação de pressão hidráulica adequada contra o fluxo osmótico de água. A diferença de pressão hidráulica através da membrana resultando em fluxo zero de água é a diferença de pressão osmótica entre as duas soluções. Se a pressão hidráulica, contra o fluxo natural, exceder a diferença de pressão osmótica, a água permeia do lado de maior concentração para o de menor concentração da membrana. Este fenômeno, conhecido como osmose reversa (RO), é amplamente utilizado para recuperar água de soluções aquosas e concentrar o soluto.