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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA DE PROCESSOS
CAMPUS I – CAMPINA GRANDE – PARAÍBA
TESE DE DOUTORADO
Desenvolvimento de Membranas Cerâmicas Tubulares a Partir de
Matérias-Primas Regionais para Processo de Microfiltração
FERNANDO ALMEIDA DA SILVA
Campina Grande – PB
Novembro / 2009
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Desenvolvimento de Membranas Cerâmicas Tubulares a Partir de
Matérias-Primas Regionais para Processo de Microfiltração
Fernando Almeida da Silva
Área de Concentração: Desenvolvimento de Processos
Orientadores: Prof. Kepler Borges França (Ph.D) e
Prof. Helio de Lucena Lira (Ph.D)
Campina Grande – PB
Novembro de 2009
Tese de Doutorado submetida à Coordenação do
Curso de Doutorado em Engenharia de Processos
da Universidade Federal de Campina Grande como
requisitos para a obtenção do título de Doutor em
Engenharia de Processos.
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG
S586d
2009 Silva, Fernando Almeida da
Desenvolvimento de membranas cerâmicas tubulares a partir de
matérias-primas regionais para processo de microfiltração / Fernando
Almeida da Silva. ─ Campina Grande, 2009.
146 f. : il.
Tese (Doutorado em Engenharia de Processos) – Universidade Federal
de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia.
Referências.
Orientadores: Prof. Dr. Kepler Borges França e Prof. Dr. Helio de
Lucena Lira.
1. Membranas Cerâmicas. 2. Matérias-Primas. 3. Microfiltração. I.
Título.
CDU – 666.3-187
Desenvolvimento de Membranas Cerâmicas tubulares a Partir de
Matérias-Primas Regionais para Processo de Microfiltração
Fernando Almeida da Silva
Tese de Doutorado submetida à Coordenação do Curso de Doutorado em
Engenharia de Processos da Universidade Federal de Campina Grande como
parte dos requisitos para a obtenção do título de Doutor em Engenharia de
Processos, Campina Grande, 2009.
TESE DE DOUTORADO AVALIADA EM: ______/_______/______
_____________________________________________
Prof. Kepler Borges França (Ph.D)
_______________________________________________
Prof. Hélio de Lucena Lira (Ph.D)
_______________________________________________
Prof. Dr. Tomás Jeferson Alves Melo
(Examinador Interno)
______________________________________________________
Profa. Dra. Liszandra Fernanda Araujo Campos
(Examinadora Externa)
________________________________________
Prof. Dr. Romualdo Rodrigues Menezes
(Examinador Externo)
_______________________________________________
Dra. Tânia Lúcia Leal
(Examinadora Externa)
i
DEDICATÓRIA
A Deus por ter me ajudado a enfrentar dias chuvosos,
fazendo com que eu conseguisse passar pela chuva
mantendo meu ponto de vista e perseverança.
A minha esposa Sandra que, sem sua ajuda, este sonho não
teria sido possível.
A minha filha Thaís, objetivo maior de todas as minhas
atividades científicas.
Aos Professores Hélio Lira e Kepler França por acreditarem
em mim e pelo permanente exemplo de trabalho,
competência e profissionalismo recebidos.
A todos, dedico este trabalho como uma pequena parcela da
minha mais profunda gratidão e reconhecimento.
ii
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Francisco e Helenira a quem devo o mais
precioso legado: os valores de um homem de bem.
A todos os profissionais envolvidos no Laboratório de
Referência em Dessalinização (LABDES) pela convivência harmoniosa
em equipe durante o período de todos os trabalhos científicos
desenvolvidos.
Minha profunda gratidão a professora Liziane Navarro pelas
críticas, sugestões e orientações valiosas dadas para o desenvolvimento
deste trabalho.
A Dra. Tânia Lucia, sempre aceitando o convite para
participar da banca, desde à Qualificação até a Tese final. Suas análises
críticas, sugestões e orientações foram muito valiosas para o
desenvolvimento deste trabalho.
Ao professor Tomás Jeferson pelas sugestões, orientações e
críticas dadas, também valiosas, que nos ajudou em muito ao
desenvolvimento desta Tese.
Ao professor Flavio Honorato por tão bem coordenar este
Doutorado.
Aos professores Jackson e Tibério dos Departamentos de
Engenharia Mecânica e de Materiais da UFPB, em João Pessoa, pelos
ensaios de MEV.
Ao professor Avelino do Laboratório de Análises Minerais,
pelas análises químicas efetuadas nas massas cerâmicas antes da
sinterização.
Ao colega Jorge Pereira pelo apoio técnico mecânico e de
montagem do sistema de fluxo no LABDES.
Aos técnicos e funcionários do Laboratório de Engenharia de
Materiais da UFCG pelo apoio recebido.
Ao Prof. Dr. Romualdo Menezes e Profa. Dra. Liszandra
Campos por aceitarem o convite para participar da banca como
examinadores externos.
iii
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA ............................................................................................... i
AGRADECIMENTOS ..................................................................................... ii
SUMÁRIO ....................................................................................................... iii
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ........................................................ vi
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................... vii
LISTA DE TABELAS ...................................................................................... xi
RESUMO ........................................................................................................ xii
ABSTRACT .................................................................................................... xiii
1 – INTRODUÇÃO .......................................................................................... 01
2 – OBJETIVOS ............................................................................................. 03
2.1 – Objetivo Geral ........................................................................................ 03
2.2 – Objetivos Específicos ............................................................................. 03
3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................... 05
3.1 – Histórico ................................................................................................. 05
3.2 – Aspectos Gerais Sobre Membranas ...................................................... 07
3.2.1 – Morfologia de Membranas .................................................................. 14
3.2.2 – Propriedades de Transporte ............................................................... 15
3.2.3 – Mercado Mundial de Membranas ........................................................ 16
3.2.4 – Tipos de Materiais Empregados na Produção de membranas ........... 19
3.3 – Membranas Cerâmicas .......................................................................... 22
3.3.1 – Introdução ........................................................................................... 22
3.3.2 – Características das Membranas Cerâmicas ......................................24
3.3.3 – Matérias-Primas para Desenvolvimento de Membranas Cerâmicas ...... 28
3.3.3.1 – Argila ................................................................................................ 29
3.3.3.2 – Óxido de Alumínio ............................................................................ 30
3.3.3.3 – Outros Materiais ............................................................................... 32
iv
3.3.4 – Técnicas para o Preparo de Membranas Cerâmicas .......................... 32
3.3.4.1 – Processo Sol-Gel ............................................................................. 33
3.3.4.2 – Oxidação Anódica ............................................................................ 33
3.3.4.3 – Sinterização ..................................................................................... 34
3.3.5 – Caracterização de Membranas Cerâmicas ......................................... 44
3.3.5.1 – Caracterização de Membranas Cerâmicas Porosas ........................ 45
3.3.6 – Desvantagens das Membranas Cerâmicas ........................................ 49
3.3.7 – Aplicações das Membranas Cerâmicas .............................................. 49
3.3.7.1 – Tratamento de Resíduos .................................................................. 50
3.3.7.2 – Reciclagem ...................................................................................... 52
3.3.7.3 – Processos de Produção ................................................................... 53
3.3.7.4 – Biotecnologia ................................................................................... 56
3.3.8 – Revisão Específica Sobre Membranas Cerâmicas ............................. 56
4 – MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................ 61
4.1 – Materiais ................................................................................................ 61
4.2 – Metodologia ........................................................................................... 62
4.2.1 – Caracterização da Massa Cerâmica Antes da Sinterização ............... 62
4.2.1.1 – Caracterização Física ...................................................................... 62
4.2.1.2 – Caracterização Mineralógica ............................................................ 63
4.2.2 – Preparação das Membranas Cerâmicas ............................................. 65
4.2.3 – Caracterização Física e Mineralógica das Membranas Cerâmicas .... 68
4.2.4 – Aplicação das Membranas Cerâmicas Desenvolvidas ....................... 75
4.2.4.1 – Análises da Água do Açude Epitácio Pessoa .................................. 75
4.2.4.2 – Medidas de Fluxo das Membranas utilizando a Água do Açude
Epitácio Pessoa ............................................................................... 77
4.2.5 – Fluxo Relativo das Membranas Cerâmicas ......................................... 77
4.2.6 – Variação da Turbidez e Taxa de Rejeição das Membranas Cerâmi-
cas ....................................................................................................... 78
5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................ 79
5.1 – Caracterização da Massa Cerâmica Antes da Queima ......................... 79
v
5.1.1 – Caracterização Física ......................................................................... 79
5.1.2 – Caracterização Mineralógica ............................................................... 81
5.2 – Caracterização da Massa Cerâmica Após a Queima ............................ 86
5.2.1 – Caracterização Mineralógica ............................................................... 86
5.3 – Caracterização Física das Membranas Cerâmicas ................................ 89
5.4 – Caracterização Morfológica das Membranas Cerâmicas ....................... 92
5.4.1 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ....................................... 92
5.4.2 – Porosimetria Pelo Método de Intrusão de Mercúrio ............................ 97
5.4.3 – Medidas de Fluxo das Membranas Cerâmicas Utilizando Água
Dessalinizada ................................................................................... 102
5.5 – Aplicação das Membranas Cerâmicas ................................................. 111
5.5.1 – Análises da Água do Açude Epitácio Pessoa ................................... 111
5.5.2 – Medidas de Fluxo das Membranas Cerâmicas Utilizando a Água
do Açude Epitácio Pessoa ............................................................... 113
5.5.3 – Fluxo Relativo das Membranas Cerâmicas (J/J
o
) ............................. 119
5.5.4 – Variação da Turbidez para Membranas Cerâmicas Estudadas ........ 124
5.5.5 – Taxa de Rejeição das Membranas Cerâmicas ................................. 126
6 – CONCLUSÕES ....................................................................................... 127
7 – REFERÊNCIAS ...................................................................................... 129
8 – ANEXOS ................................................................................................. 140
vi
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
AESA – Agência Executiva de Gestão das Águas do Estado da Paraíba
ddp – Diferença de Potencial
DNOCS – Departamento Nacional de Obras Contra Secas
ICDD - International Centre for Diffraction Data
LABDES – Laboratório de Referência em Dessalinização
LAM – Laboratório de Análises Minerais
LSR – Laboratório de Solidificação Rápida
MET – Microscopia Eletrônica de Transmissão
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
PF – Perda ao Fogo
RI – Resíduos Insolúveis
TG – Análise Termogravimétrica
TM – Temperatura Máxima
UAEMa – Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais
UFCG – Universidade Federal de Campina Grande
UFPB – Universidade Federal da Paraíba
UFSCAR – Universidade Federal de São Carlos
UTI – Unidade de Terapia Intensiva
UTN – Unidade de Turbidez Nefelométrica
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1. Processo de separação utilizando membrana. ........................... 08
Figura 3.2. Diagrama esquemático das operações de filtração frontal e
de escoamento tangencial. ......................................................... 12
Figura 3.3. Morfologia de membranas sintéticas .......................................... 14
Figura 3.4. Força motriz e transporte em membranas densas e porosas ..... 16
Figura 3.5. Valores desde o ano de 2002 com projeções até 2013 .............. 18
Figura 3.6. Valores do mercado global para microfiltração de 1990, com
projeção até 2010 ....................................................................... 19
Figura 3.7. Esquema de extrusora com parafuso sem-fim simples. ............. 36
Figura 3.8. Mecanismo de formação do pescoço através do transporte
de átomos ................................................................................... 39
Figura 3.9. Mudanças microestruturais durante o processo de sinteriza-
ção .............................................................................................. 40
Figura 3.10. Esquema da diminuição dos poros via reprecipitação através
do contorno das partículas .......................................................... 42
Figura 3.11. Diferença entre densificação e preenchimento de poros versus
formação de poros pela migração de líquido .............................. 43
Figura 3.12. Principais características de membranas produzidas pelo
processo de sinterização ............................................................ 44
Figura 4.1. Curva de queima do processo de sinterização das membra-
nas cerâmicas. ............................................................................ 68
Figura 4.2. Fluxograma do processo de produção das membranas cerâ-
micas .......................................................................................... 69
Figura 4.3. Representação esquemática do funcionamento do sistema
de fluxo com escoamento tangencial ......................................... 73
Figura 4.4. Principais dimensões da membrana cerâmica ........................... 74
Figura 5.1. Distribuição granulométrica da massa cerâmica, composição
1, antes da sinterização .............................................................. 79
Figura 5.2. Distribuição granulométrica da massa cerâmica, composição
2, antes da sinterização .............................................................. 80
viii
Figura 5.3. Curva TG da composição 1 antes da sinterização ..................... 82
Figura 5.4. Curva TG da composição 2 antes da sinterização ..................... 82
Figura 5.5. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 1, antes
da sinterização ............................................................................ 85
Figura 5.6. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 2, antes
da sinterização ............................................................................ 85
Figura 5.7. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 1, sinte-
rizada a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC ........................................ 87
Figura 5.8. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 2, sinte-
rizada a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC ........................................ 88
Figura 5.9. Imagem das membranas cerâmicas em função das composi-
ções e das temperaturas de sinterização ................................... 89
Figura 5.10. Dimensões (em mm) da membrana cerâmica após o proces-
so de queima .............................................................................. 91
Figura 5.11. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1150ºC ................ 93
Figura 5.12. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1200ºC ................ 93
Figura 5.13. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1250ºC ................ 94
Figura 5.14. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1300ºC ................ 94
Figura 5.15. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1150ºC ................ 95
Figura 5.16. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1200ºC ................ 96
Figura 5.17. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1250ºC ................ 96
Figura 5.18. Micrografia das secções transversal e longitudinal da mem-
brana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1300ºC ................ 97
Figura 5.19. Variação do diâmetro dos poros em função do volume de in-
trusão de mercúrio acumulado nas membranas, composição 1 .. 98
ix
Figura 5.20. Variação do diâmetro dos poros em função do volume de in-
trusão de mercúrio acumulado nas membranas, composição 2 .. 98
Figura 5.21. Relação entre temperatura de sinterização e diâmetro dos
poros nas membranas cerâmicas das composições 1 e 2 ....... 100
Figura 5.22. Relação entre temperatura de sinterização e porosidade nas
membranas cerâmicas das composições 1 e 2 ........................ 100
Figura 5.23. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1150 ºC ............................................. 102
Figura 5.24. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1200 ºC ............................................. 103
Figura 5.25. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1250 ºC ............................................. 103
Figura 5.26. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1300 ºC ............................................. 104
Figura 5.27. Valores comparativos da média dos fluxos de água dessalini-
zada permeados pelas membranas cerâmicas, composição 1 106
Figura 5.28. Valores comparativos da média dos fluxos de água dessalini-
zada permeados pelas membranas cerâmicas, composição 2 107
Figura 5.29. Relação entre fluxo permeado, diâmetro médio dos poros e
temperatura de sinterização na composição 1 ......................... 108
Figura 5.30. Relação entre fluxo permeado, diâmetro médio dos poros e
temperatura de sinterização na composição 2 ......................... 109
Figura 5.31. Relação entre fluxo permeado, porosidade e temperatura de
sinterização na composição 1 ................................................... 110
Figura 5.32. Relação entre fluxo permeado, porosidade e temperatura de
sinterização na composição 2 ................................................... 110
Figura 5.33. Distribuição granulométrica das partículas em suspensão na
água do açude Epitácio Pessoa ............................................... 112
Figura 5.34. Variação dos fluxos de água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1150 ºC ............... 113
Figura 5.35. Variação dos fluxos de água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1200 ºC ............... 114
x
Figura 5.36. Variação dos fluxos de água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1250 ºC ............... 114
Figura 5.37. Variação dos fluxos de água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1300 ºC ............... 115
Figura 5.38. Valores comparativos dos fluxos de água do açude Epitácio
Pessoa permeados pelas membranas cerâmicas feitas a par-
tir da composição 1 ................................................................... 116
Figura 5.39. Valores comparativos dos fluxos de água do açude Epitácio
Pessoa permeados pelas membranas cerâmicas feitas a par-
tir da composição 2 ................................................................... 117
Figura 5.40. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1150 ºC ............................................. 119
Figura 5.41. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1200 ºC ............................................. 120
Figura 5.42. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1250 ºC ............................................. 120
Figura 5.43. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1300 ºC ............................................. 121
Figura 5.44. Valores comparativos dos fluxos relativos, composição 1 ........ 121
Figura 5.45. Valores comparativos dos fluxos relativos, composição 2 ........ 122
Figura 5.46. Turbidez da água do açude Epitácio Pessoa antes e após
permeação pelas membranas cerâmicas, composição 1, sin-
terizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300ºC .................................... 124
Figura 5.47. Turbidez da água do açude Epitácio Pessoa antes e após
permeação pelas membranas cerâmicas, composição 2, sin-
terizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300ºC .................................... 125
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1. Dados da distribuição granulométrica das massas cerâmicas
antes da queima ......................................................................... 80
Tabela 5.2. Composições químicas das massas cerâmicas antes da queima ... 83
Tabela 5.3. Dimensões e retração das membranas cerâmicas, composi-
ção 1, antes e após sinterização à 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC .... 90
Tabela 5.4. Dimensões e retração das membranas cerâmicas, composi-
ção 2, antes e após sinterização à 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC .... 90
Tabela 5.5. Valores do diâmetro médio dos poros e da porosidade das
membranas de cerâmica, composições 1 e 2, sinterizadas a
1150, 1200, 1250 e 1300 ºC ......................................................... 99
Tabela 5.6. Valores médios dos fluxos permeados pelas membranas ce-
râmicas utilizando água dessalinizada ...................................... 108
Tabela 5.7. Dados da distribuição granulométrica das partículas em sus-
pensão na água do açude Epitácio Pessoa .............................. 111
Tabela 5.8. Valores médios dos fluxos permeados pelas membranas ce-
râmicas utilizando água do açude Epitácio Pessoa .................. 118
Tabela 5.9. Valores comparativos entre os fluxos oriundos da água des-
salinizada e da água do açude Epitácio Pessoa ....................... 118
Tabela 5.10. Valores médios dos fluxos relativos permeados pelas mem-
branas cerâmicas ...................................................................... 122
Tabela 5.11. Valores da taxa de rejeição obtidos pelas membranas das
composições 1 e 2, sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC .. 126
xii
RESUMO
Desenvolvimento de Membranas Cerâmicas Tubulares a Partir de
Matérias-Primas Regionais para Processo de Microfiltração
Atualmente os processos de separação por membranas estão em pleno
desenvolvimento. As membranas de cerâmica encontram larga aplicação,
principalmente em processos cujas temperaturas de trabalho são superiores à
250 ºC, como também, na separação de soluções em que o pH seja
extremamente ácido, ou até mesmo quando houver presença de solventes
orgânicos no sistema. Este trabalho consiste na preparação de membranas
tubulares, obtidas a partir de duas composições contendo argila, caulim e óxido
de alumínio, conformadas pelo processo de extrusão, utilizando diferentes
temperaturas na etapa de sinterização para uso em microfiltração. Foi feita
caracterização nas massas cerâmicas antes da sinterização, através dos
ensaios de análise granulométrica, análise termogravimétrica, análise química
e difração de raios X. As análises químicas mostraram altos teores de SiO
2
e
de Al
2
O
3
e os ensaios de difração de raios X mostraram a presença de
caulinita, quartzo e óxido de alumínio em ambas as composições. Foram
feitos ensaios de difração de raios X nas massas após as sinterizações e os
resultados mostraram a presença de mulita, óxido de alumínio e quartzo em
todas as sinterizações efetuadas. Com relação ao tamanho e a distribuição
destes poros nas membranas, os resultados das micrografias e de
porosimetria por intrusão de mercúrio mostraram a presença de poros em
todas as temperaturas de sinterização, com dimensões na faixa de
microfiltração. Os ensaios de fluxo com escoamento tangencial utilizando
água dessalinizada mostraram na composição 1 que as membranas
sinterizadas a 1300 ºC obtiveram maior valor. Quanto a composição 2, o
maior fluxo foi obtido pela membrana sinterizada a 1150 ºC. Os valores
médios dos fluxos utilizando tanto a água dessalinizada quanto a água do
açude Epitácio Pessoa, encontrados nas membranas sinterizadas nas
temperaturas de 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC da composição 1 foram bem
maiores que os observados nas membranas da composição 2. Com relação à
aplicação das membranas no tratamento da água do açude Epitácio Pessoa,
verificou-se que a turbidez da água foi reduzida de 7,1 UTN para valores
próximos de zero para todas as membranas estudadas.
Palavras-chave: membranas cerâmicas, matérias-primas, microfiltração.
xiii
ABSTRACT
Development of Tubular Ceramic Membranes with Regional
Raw Materials to Microfiltration Process
Membrane separation processes has experienced a great development
recently. Ceramic membranes are applied in several processes, mainly in
application in which temperatures are above 250
o
C, as well in separation of
solutions with extremely acid pH and even in systems with organic solvents.
The aim of this work is to prepare tubular ceramic membranes by extrusion
using two different compositions containing ball clays, kaolin and alumina and to
fire in different sintering temperatures to be applied in microfiltration process. It
was done the characterization of the ceramic compositions before sintering,
particles size, thermogravimetrics analysis, chemicals analysis and X-ray
diffraction. The chemicals analysis showed great amount of SiO
2
and Al
2
O
3
and
the X-ray results showed the presence of kaolinite, quartz and alumina in the
both compositions. The results from X-ray diffraction of the ceramic body after
sintering showed the presence of mullite, alumina and quartz. The SEM images
and the results from mercury porosimetry showed the presence of pores in all
sintering temperatures and pore size in the range of microfiltration. The results
from pure water flux, at steady state, showed that the membranes prepared with
composition 1 and sintering at temperature of 1300
o
C presented the highest
value. To the membranes prepared with composition 2 and sintering
temperature of 1150
o
C presented the highest value. The pure water flux value
of the membranes prepared with composition 1 was bigger than the membranes
prepared with composition 2. In relation to the use of these membranes to water
treatment from Epitácio Pessoa Dam, the results showed that the water turbidity
decrease from 7.1 NTU to values close to zero for the all studied membranes.
Key words: ceramic membranes, raw materials, microfiltration.
Capítulo 1 – Introdução
Fernando Almeida da Silva
1
1. INTRODUÇÃO
Membrana pode ser definida como sendo uma barreira que
separa duas fases e que restringe, total ou parcialmente, o transporte de uma
ou várias espécies químicas presentes nas fases (HABERT, BORGES e
NOBREGA, 2006).
A tecnologia de membranas transformou-se numa parte
importante da tecnologia de separação nas últimas décadas. Os principais
motivos no avanço da tecnologia de membranas estão no fato de que
trabalham sem a adição de agentes químicos, com uso relativamente baixo
de energia, facilidade de processamento e arranjos físicos compactos
(LENNTECH, 2008).
As membranas são amplamente empregadas em processos de
separação na indústria química, metalúrgica, têxtil e de papel, em aplicações
farmacêuticas e de biotecnologias, no tratamento de efluentes industriais e
residenciais, na reciclagem e no processamento de alimentos e de bebidas
(LENNTECH, 2007).
Atualmente, as tradicionais membranas poliméricas são as mais
utilizadas devido à existência de uma grande variedade de materiais
poliméricos e da facilidade de processamento. Entretanto, seu uso é limitado
a temperaturas inferiores à 250 ºC e sofrem degradação acelerada em pH
extremamente ácido ou em solventes orgânicos (SANTOS et al, 1996).
Diversos estudos têm demonstrado que a utilização das
membranas cerâmicas apresenta vantagens em relação às poliméricas,
principalmente no que se refere à estabilidade química, estabilidade biológica,
resistência a altas temperaturas e pressões e vida útil longa (ELYASSI,
SAHIMI e TSOTSIS, 2008 & BHAVE, 1991). Em alguns países, as
membranas cerâmicas já são usadas na diálise, em oposição às poliméricas
por apresentarem mais resistência mecânica e maior durabilidade (AGÊNCIA
CT, 2007).
Outro ponto importante é a vantagem que as membranas
cerâmicas apresentam em relação aos métodos tradicionais de separação
Capítulo 1 – Introdução
Fernando Almeida da Silva
2
(filtros rotativos à vácuo, destilação, centrifugação, etc.), tais como: baixo
consumo de energia, vida útil longa, ocupação de pouco espaço físico,
facilidade de limpeza, significativo aumento do rendimento do produto,
redução de mão-de-obra e de custos de manutenção (GEAFILTRATION,
2009).
O número de aplicações das membranas cerâmicas é imenso e
está em franca expansão. Estima-se que, dentre os processos de separação
por membranas, as membranas de cerâmica têm crescido cerca de 15% ao
ano, apesar dos conhecimentos detalhados sobre aplicações comerciais
ainda serem restritos (BCC RESEARCH, 2009).
Entretanto, as membranas cerâmicas apresentam a
desvantagem no alto custo de fabricação, devido ao transporte e ao custo das
matérias-primas que são importadas e sintéticas do tipo: zircônia, alumina,
titânia e sílica. Considerando que a Região Nordeste do Brasil, principalmente
os Estados da Paraíba e de Pernambuco, possui grandes reservas de
matérias-primas que apresentam composição química adequada à produção
de cerâmicas, o que poderá cooperar fortemente na minimização dos custos
de produção de membranas cerâmicas.
Visando contribuir com a pesquisa tecnológica nesta área de
concentração, pretende-se neste trabalho produzir membranas cerâmicas
tubulares, utilizando composições com matérias-primas regionais,
sinterizando-as em diferentes temperaturas, com o intuito de verificar sua
aplicabilidade em processos de separação por microfiltração. Os minerais
utilizados são todos de baixo custo e de processamento viável, o que poderá
vir a contribuir para o desenvolvimento da indústria regional.
Capítulo 2 – Objetivos
Fernando Almeida da Silva
3
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de membranas
de cerâmica tubulares, utilizando composições com matérias-primas regionais,
com o intuito de verificar sua aplicabilidade em microfiltração.
2.2. Objetivos Específicos
a) formular composições utilizando matérias-primas regionais para
preparação de massas cerâmicas.
b) caracterizar física e mineralogicamente as massas cerâmicas antes
e após o processo de queima;
c) conformar as membranas cerâmicas, em formato tubular, através
do processo de extrusão à vácuo;
d) queimar as membranas cerâmicas utilizando temperaturas na etapa
de sinterização variando de 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC;
e) verificar a influência da composição e da temperatura de
sinterização no tamanho, na forma e na distribuição dos poros
através de caracterização microestrutural, com o uso das técnicas
de microscopia eletrônica de varredura e de porosimetria por
intrusão de mercúrio;
Capítulo 2 – Objetivos
Fernando Almeida da Silva
4
f) promover ensaio de fluxo utilizando um sistema de escoamento
tangencial com água dessalinizada para verificar a quantidade de
água permeada pela membrana por unidade de tempo e de área;
g) aplicar as membranas cerâmicas produzidas no pré-tratamento de
água utilizando amostra do açude Epitácio Pessoa;
h) fazer estudo comparativo entre os fluxos permeados da água
dessalinizada e do açude Epitácio Pessoa com vistas a verificar a
variação da turbidez da água do açude e a taxa de rejeição das
diferentes membranas cerâmicas produzidas.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
5
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Histórico
As membranas sintéticas surgiram como uma tentativa de se
imitar as membranas naturais, em particular quanto as suas características
únicas de seletividade e permeabilidade. Para tanto, houve a necessidade da
observação e compreensão do fenômeno de permeação, além do
desenvolvimento tecnológico concernente à produção de membranas
(HABERT, BORGES e NOBREGA, 2006).
O desenvolvimento dos processos de separação por membranas
e suas aplicações industriais podem ser considerados relativamente recentes,
principalmente levando-se em conta que fenômenos envolvendo membranas
vêm sendo estudados há mais de um século.
O primeiro registro que se tem notícia sobre um estudo relativo a
fenômenos com membranas data de 1748 e se deve a um abade francês de
nome Abbé Jean Antoine Nollet. Ele imergiu em água pura um copo cheio de
vinho vedado por uma bexiga (membrana) de origem animal. Após certo
tempo, ele observou que a água pura penetrava através da bexiga
provocando um inchamento e até mesmo, em alguns casos, o rompimento da
bexiga, evidenciando assim, as características de permeabilidade de uma
membrana (MULDER, 1991).
Mais tarde, em 1823, Dutrochet introduziu o termo osmose para
designar o fluxo espontâneo do líquido através de uma membrana permeável
(BODDEKER, 1995), enquanto que a constatação de que as espécies
permeantes podem apresentar taxas diferenciadas de permeação através de
membranas pode ser atribuída aos estudos de Fick em 1855 e Graham em
1866 (HABERT, BORGES e NOBREGA, 2006).
A primeira membrana sintética foi desenvolvida em 1867 por
Moritz Traube e foi usada em poucos laboratórios de pesquisa tendo uma
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
6
pequena aplicação industrial, já que não era disponível comercialmente, não
era seletiva e tinha um custo muito alto (LIRA e PATERSON, 2002).
Em 1877, Fick publicou sua primeira lei de difusão que até hoje é
utilizada para descrever fenômenos que ocorrem em membranas. Alguns anos
mais tarde, Graham estudou a permeação de gases através de borrachas e
efetuou as primeiras medidas experimentais de diálise, utilizando membranas
sintéticas. Ainda na segunda metade do século XIX Traube, Pfeffer e Van't Hoff
estudaram o fenômeno osmótico (STRATHMANN, 2000).
No início do século XX, membranas de celulose regenerada,
entre outras, foram desenvolvidas por Zsigmond, Bachman e Elford. Bechhold
e outros utilizaram estas membranas para filtrar soluções contendo partículas
coloidais dispersas, numa primeira experiência do que atualmente se conhece
por microfiltração. Os processos de diálise e microfiltração alcançaram escala
comercial desde 1930. O primeiro hemodializador foi desenvolvido por Kolff em
1944 (OSADA e NAKAGAWA, 1992).
Os processos de separação com membranas começaram,
realmente, a deixar de ser uma curiosidade científica e de laboratório no final
da década de 50. Nesta época começou, nos Estados Unidos, um plano de
pesquisa em dessalinização de águas que resultou em, pelo menos, duas
descobertas importantes: Reid e Breton (1959) relataram que membranas
homogêneas de acetato de celulose, quando utilizadas para osmose inversa,
podiam apresentar retenção salina elevada. Loeb e Sourirajan (1960)
aperfeiçoaram uma técnica para preparo da membrana, mais tarde chamada
técnica de inversão de fase por imersão-coagulação, que podia aumentar muito
o fluxo permeado de água, mantendo elevada a retenção de sais.
Durante a década de 70 houve um rápido desenvolvimento na
indústria na área de ultrafiltração, onde foram projetadas várias plantas para
concentração de proteínas. Nesta mesma época, muitos polímeros foram
testados na indústria eletroquímica para separação de gases (HOWELL,
SANCHEZ e FIELD, 1993).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
7
Por volta de 1980 os processos de microfiltração, ultrafiltração,
separação de gases, osmose inversa e pervaporação se estabilizaram por todo
o mundo através de plantas piloto (BAKER et al, 1990).
Nos anos 90 o campo das membranas ficou presente numa
variedade de processos e a sua manufatura foi distribuída entre a Europa,
EUA e Japão (SORIA, 1995). Na França há desde 1991, uma planta de
tratamento de água em grande escala onde se utiliza processos com
membrana (mais de 340000 m
2
de membranas instaladas) produzindo mais
de 150000 m
3
/dia de água potável (CYNA et al, 2002).
Atualmente o volume de pesquisa e desenvolvimento de
membranas tem crescido consideravelmente. Muitas idéias novas têm
surgido, além de um potencial de novas aplicações estão sendo criadas.
Estão sendo desenvolvidas membranas resistentes a
substâncias oxidantes, como o cloro livre ou residual. Num futuro próximo,
serão utilizadas mundialmente em larga escala. Para o tratamento de
efluentes, membranas mais resistentes e de maior vida útil também estão
sendo desenvolvidas. Além das membranas para tratamento de águas com
alto teor de matéria orgânica, estão surgindo membranas para tratamento de
água do mar, com baixa pressão operacional e alta rejeição de sais (DIAS,
2006).
3.2. Aspectos Gerais Sobre Membranas
De acordo com a definição dada pela European Membrane
Society, membrana é uma barreira que separa duas fases e/ou atua como um
obstáculo ativo ou passivo no transporte de matéria entre as fases.
Basicamente, é uma camada fina que pode separar materiais dependendo de
suas propriedades físicas e químicas quando uma força motriz, seja um
gradiente de potencial químico (gradiente de concentração, pressão ou
temperatura) ou elétrico, é aplicado através da membrana (CHEN et al, 2007).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
8
A Figura 3.1 ilustra o processo de separação através de uma
membrana. Este processo tem sido aplicado nos mais diferentes setores de
atividade, onde são divididos nas seguintes categorias: microfiltração,
ultrafiltração, nanofiltração, eletrodiálise, diálise, pervaporação, permeação de
gases e osmose inversa. Dentre estes, os que mais utilizam membranas
cerâmicas são microfiltração, ultrafiltração e nanofiltração.
Microfiltração
A microfiltração é o processo de separação com membranas mais
próximo da filtração clássica. Utiliza membranas porosas com poros na faixa
entre 0,1 e 10 μm. As membranas de microfiltração apresentam porosidade
variando de 5 a 70%.
A microfiltração é usada para separar pequenas partículas
insolúveis, bactérias e materiais em suspensão de córregos aquosos. Os filtros
convencionais consistem tipicamente de uma matriz de fibras e são usados
para executar tarefas similares, mas a separação é conseguida por um
mecanismo de retenção dentro das fibras e de adsorção na superfície. Não há
nenhum tamanho de poro definido nos filtros e os vazios entre as fibras são
Permeado
Concentrado
Mistura
Membrana
Figura 3.1. Processo de separação utilizando membrana.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
9
maiores do que o tamanho das menores partículas retidas. Assim a retenção
na filtragem é uma função estatística (LI, 2007).
Por outro lado, as membranas de microfiltração têm um tamanho
bem definido de poros e a separação é conseguida com base no efeito de
peneiramento. O tamanho dos poros nas membranas é grande o suficiente
para permitir o transporte do fluxo através dos poros por convecção.
Popularizado no final dos anos 1990, os sistemas de
microfiltração ganharam uma rápida aceitação para tratamento de água
potável, devido aos focos de doenças provocados por águas contaminadas nos
EUA e Canadá (BCC RESEARCH, 2009).
O processo de microfiltração é essencial na eliminação de
microrganismos patogênicos, conforme Safe Drinking Water Act. Por este
motivo, o tratamento convencional de água potável está sendo completamente
substituído por sistemas de membrana. Em todo o mundo, dentre os processos
de separação por microfiltração, o tratamento de água potável continua sendo
o de maior aceitação (BCC RESEARCH, 2009).
Como as membranas de microfiltração são relativamente abertas,
as pressões transmembranas empregadas como força motriz para o transporte,
são pequenas, não ultrapassando 3 bar (MERIN e DAUFIN, 1989).
Em muitas aplicações, os custos de membranas de microfiltração
caíram mais de 80% desde a década de 1990, como resultado do aumento da
concorrência, melhor sistema de concepção e custos de fabricação mais
baixos. Os custos operacionais da microfiltração também diminuíram devido às
melhorias nos materiais e módulos, tais como, a resistência ao cloro, maior
superfície, maior permeabilidade e aumento na vida útil das membranas. Como
resultado, muitas aplicações típicas têm emergido para a tecnologia de
microfiltração (BCC RESEARCH, 2009).
Além das aplicações no tratamento de efluentes e reuso de água
(tratamento de águas oleosas, tratamento de efluentes tratados
biologicamente, tratamento de efluentes de indústria de pigmentos inorgânicos,
purificação de água de processo na indústria de papel), a microfiltração
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
10
apresenta ainda um enorme potencial de aplicação em diversos outros setores
da economia. Alguns exemplos são apresentados a seguir:
• indústria de bebidas (clarificação de vinhos e cervejas);
• indústria de sucos (clarificação do suco de maça e processamento do
suco de laranja);
• biotecnologia e farmácia (purificação bacteriológica de meios de
cultura, purificação bacteriológica de fluidos injetáveis);
• purificação de ar (centros cirúrgicos e UTIs, ar condicionado,
purificação de ar de processo em biotecnologia);
• purificação de água (na indústria de refrigerantes, para o preparo dos
refrigerantes e no ato de envase);
• pré-tratamento para processos de nanofiltração e osmose inversa
(PAM, 2007).
Ultrafiltração
A ultrafiltração é um processo de separação realizado através de
membrana semipermeável, utilizado quando se deseja purificar e fracionar
soluções contendo macromoléculas com peso molecular acima de 5000 Daltons.
As membranas de ultrafiltração apresentam poros na faixa entre 0,001 e 1,0 μm.
sendo, portanto, mais fechadas do que as membranas de microfiltração. Além
disso, apresentam porosidade na faixa de 0,1 a 10%. (COT et al, 1988).
Na ultrafiltração a força motriz também é o gradiente de pressão
através da membrana, consequentemente o fluxo permeado também é
convectivo.
Os poros das membranas de ultrafiltração são menores que os da
microfiltração, por isto é necessária uma maior força motriz para se obter fluxos
permeados elevados o suficiente para que o processo possa ser utilizado
industrialmente. Por este motivo, as diferenças de pressão transmembrana
variam na faixa de 2 a 10 bar.
A ultrafiltração é largamente utilizada na indústria de alimentos,
bebidas e laticínios, assim como, em aplicações na biotecnologia e na área
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
11
médica, na reciclagem e em tratamento de efluentes. Alguns exemplos são
apresentados a seguir:
• produção de água potável;
• concentração de gelatina;
• concentração e purificação de proteínas e enzimas;
• concentração de proteínas solúveis do soro de leite;
• concentração de sólidos do leite para a produção de coalhada sem
gordura;
• recuperação de proteínas do soro de queijo;
• produção de queijo por concentração do leite;
• esterilização a frio;
• remoção de substâncias pirogênicas;
• recuperação de tintas coloidais utilizadas na pintura de veículos;
• reciclagem de água na indústria de celulose e papel;
• recuperação de corantes e pigmentos;
• recuperação da goma na indústria têxtil;
• recuperação de óleos;
• tratamento de emulsão óleo / água;
• tratamento de efluentes na indústria de papel e celulose.
A ultrafiltração tem a vantagem de substituir a filtragem e
clarificação anteriores ao processo de osmose inversa (de filtro de areia,
cartucho e carvão ativado) e ainda boa parte dos produtos químicos, como
biocidas, alguns antiincrustantes e coagulantes. Possui ainda uma taxa de
remoção de sólidos suspensos, cor e contaminação biológica muito maior se
comparada à filtragem convencional. E isso sem o inconveniente de ser
formador de colônias de bactérias como o carvão ativado
(DESMINERALIZAÇÃO, 2009).
Nos processos de separação por ultrafiltração e microfiltração
existem dois tipos de operações possíveis, são elas: filtração frontal e filtração
em escoamento tangencial, conforme ilustrado na Figura 3.2.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
12
A filtração frontal é apropriada somente nos casos cujas
concentrações dos sólidos em suspensão sejam muito baixas. Já as operações
com escoamento tangencial podem ser usadas em concentrações mais
elevadas, pois as partículas que ficam depositadas na superfície da membrana
durante o processo vão sendo varridas pelo próprio fluxo que passa
paralelamente a superfície (LI, 2007).
Nanofiltração
A nanofiltração é nome de utilização recente, e define um
processo com membranas capaz de efetuar separações de moléculas de peso
Filtração frontal
Filtração em escoamento tangencial
Alimentação
Fluxo Permeado
Alimentação Concentrado
Fluxo Permeado
Figura 3.2. Esquema das operações de filtração frontal e de
escoamento tangencial. (Fonte: adaptado de
Spectrum, 2009).
Tempo
Tempo
Fluxo permeado
Incrusta
ç
ões
Fluxo permeado
Incrustações
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
13
molecular médio entre 500 e 5000 Daltons, situando-se, portanto, entre o limite
superior da ultrafiltração e o limite inferior da osmose inversa (HABERT,
BORGES e NOBREGA, 2006).
Em comparação com as membranas de osmose inversa, as de
nanofiltração são mais abertas e, portanto, com baixa rejeição ao sal.
Consequentemente, a diferença da pressão osmótica entre as soluções de
cada lado da membrana não é tão grande, isto resulta em uma pressão de
operação menor, mas com fluxo permeado elevado. Devido a estes fatores a
nanofiltração vem sendo utilizada num número crescente de aplicações
(MULDER, 1991). Outra vantagem da nanofiltração é a possibilidade de
controlar a separação de ácidos orgânicos através da seleção do material da
membrana, como também, controlar as condições de operação (CATARINO,
2007).
Na nanofiltração os poros variam entre 0,1 e 1,0 nm. Embora
geralmente muito similar a osmose inversa em termos químicos da membrana,
a nanofiltração permite a difusão de certas soluções iônicas, tais como: sódio e
cloretos, predominantemente íons monovalentes, bem como água. Espécies
iônicas maiores, incluindo íons bivalentes e multivalentes, e moléculas mais
complexas são amplamente retidas (GEAFILTRATION, 2008).
Pesquisas têm sido realizadas para confecção de membranas
cerâmicas para nanofiltração. Os materiais utilizados no preparo destas
membranas são: óxido de titânio, óxido de zircônio, sílica-zircônia, hafnio e δ-
alumina (GESTEL et al, 2003). A maioria destas membranas de nanofiltração é
preparada usando o processo sol-gel, onde um suporte cerâmico poroso é
revestido com uma camada de um óxido de metal que determina o tamanho
final do poro. Isto fornece uma grande vantagem em controlar o diâmetro do
poro com a escolha apropriada de soluções coloidais no estágio final do
revestimento (LI, 2007). Estas membranas apresentam porosidade na faixa de
0,1 a 10%. (BURGGRAAF e COT, 1996).
A nanofiltração é também um processo movido pela diferença de
pressão, que pode variar entre 5 e 25 bar. Algumas aplicações típicas da
nanofiltração são:
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
14
• dessalinização de alimentos lácteos e produtos da indústria de
bebidas;
• dessalinização parcial do soro de leite;
• dessalinização de soluções contendo corantes;
• redução ou alteração de cor em produtos alimentícios
• concentração de alimentos lácteos e produtos da indústria de bebidas;
• concentração de produtos de fermentação;
• purificação de enzimas.
3.2.1. Morfologia de Membranas
Em função das aplicações a que se destinam as membranas
podem ser classificadas em duas categorias: isotrópicas e anisotrópicas. As
membranas isotrópicas podem ser porosas e densas, enquanto que as
anisotrópicas são divididas em porosas e densas integrais ou compostas
(HABERT, BORGES e NOBREGA, 2006). A Figura 3.3 apresenta as
morfologias mais comuns observadas em membranas comerciais.
Membranas Isotrópicas (simétricas)
p
orosa
p
orosa densa
p
orosa
densa
(integral)
densa
(composta)
Membranas Anisotrópicas (assimétricas)
Morfolo
ia de Membranas Sintéticas
Figura 3.3. Morfologia de membranas sintéticas.
(Fonte: adaptado de Pereira, 2007).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
15
Membranas isotrópicas são aquelas que apresentam as mesmas
características morfológicas ao longo de sua espessura. Já as membranas
anisotrópicas se caracterizam por uma região superior muito fina (≈1µm), mais
fechada (com poros ou não), chamada de pele, suportada em uma estrutura
porosa. Quando ambas as regiões são constituídas por um único material a
membrana é do tipo anisotrópica integral. Se materiais diferentes forem
empregados no preparo de cada região, a membrana será do tipo anisotrópica
composta.
3.2.2. Propriedades de Transporte
Além dos parâmetros de natureza morfológica, outro ponto
importante no estudo de membranas é relativo às propriedades de transporte.
Em função do tipo de morfologia da membrana e do tipo de força
motriz aplicada, o transporte das diferentes espécies através da membrana
pode ocorrer pelo mecanismo convectivo ou difusivo. A morfologia da
membrana define, também, os princípios em que se baseiam a sua capacidade
seletiva. Os principais processos de separação com membrana utilizam como
força motriz o gradiente de potencial químico e/ou elétrico. Como os processos
com membranas são, em sua grande maioria, atérmicos, o gradiente de
potencial químico é expresso em termos do gradiente de pressão,
concentração ou pressão parcial (MULDER, 1991).
Em processos que utilizam membranas porosas, a seletividade é
definida pela relação de tamanho entre as espécies presentes e os poros da
membrana (microfiltração, ultrafiltração e nanofiltração). Além disso, as
espécies presentes devem ser na medida do possível, inertes em relação ao
material que constitui a membrana (BHAVE, 1991)
No caso da ultrafiltração e microfiltração, para as quais a força
motriz é o gradiente de pressão através da membrana, o fluxo permeado é
fundamentalmente convectivo e pode ser descrito pela equação de Hagen-
Poiseuille (Equação 3.2, item 3.3.5.1 - pág. 47), considerando-se para isto, que
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
16
os poros das membranas sejam cilíndricos. Nestes casos as espécies se
difundem pelos poros da membrana.
No caso de processos que empregam membranas densas,
compostas ou não, a capacidade seletiva depende da afinidade das diferentes
espécies com o material da membrana e da difusão das mesmas através do
filme, como é o caso da osmose inversa e pervaporação. O fluxo permeado é
sempre de natureza difusiva, independente do tipo de força motriz aplicada,
uma vez que a membrana não apresenta poros na interface com a solução a
ser processada (HABERT, BORGES e NOBREGA, 2006). A Figura 3.4 mostra
os princípios em que se baseiam a capacidade seletiva das membranas
através dos transportes do tipo convectivo e difusivo.
3.2.3. Mercado Mundial de Membranas
As membranas sintéticas e comerciais, em sua maioria, são
preparadas a partir de materiais poliméricos com características químicas e
físicas das mais variadas. As membranas de materiais inorgânicos estão
Membrana porosa Membrana densa
Figura 3.4. Força motriz e transporte em membranas
densas e porosas (Fonte: adaptado de
Habert, 2007).
Força motriz para o transporte
Transporte convectivo
e/ou difusivo
Transporte difusivo
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
17
começando a disputar o mercado com as membranas poliméricas, porém tem
um custo muito mais elevado (COT, 1991).
Membranas inorgânicas somente são utilizadas em processos em
que não é possível a utilização de membranas poliméricas, ou seja, em
processos onde são exigidas altas temperaturas e pressões, boa resistência
mecânica, inércia química e estabilidade biológica.
A movimentação do setor de membranas é nítida e vem sendo
impulsionada, com destaque, pelas membranas de osmose inversa, assim
como, pelas membranas de micro e ultrafiltração. Há estimativas de que o
consumo mundial de membranas esteja crescendo em média 15% ao ano,
nesses últimos quinze anos, obrigando os principais produtores a aumentar
com freqüência suas capacidades produtivas (FURTADO, 2006).
O mercado dos Estados Unidos da América para os módulos de
membrana usados em separação de líquidos e de gases foi estimado em $2,3 bilhões
para o ano de 2008, devendo aumentar para $3,3 bilhões em 2013, sendo
considerada uma taxa de crescimento anual de 7,8 % (BCC RESEARCH,
2008).
Este mercado está dividido em separações convencionais de
líquidos e em outras separações. As separações convencionais de líquidos têm
a maior fatia do mercado, estimado em $2,1 bilhões para 2008, devendo
alcançar $3,0 bilhões em 2013, a uma taxa de crescimento de 7,7% ao ano. As
outras separações têm a segunda maior parte do mercado, sendo esperados
$235 milhões em 2008 e $351 milhões em 2013, com uma taxa de crescimento
anual de 8,4 % (BCC RESEARCH, 2008). A Figura 3.5 mostra os valores
desde o ano de 2002 com projeções até 2013.
Com relação às membranas para microfiltração usadas nos
processos de separação envolvendo líquidos, o mercado global foi de
$792 milhões em 2005, aumentando a uma taxa de crescimento anual média
de 9,4% durante estes últimos cinco anos, muito mais rápida do que a taxa de
crescimento mundial (previsão de 3% a 4%), mas não tão rápida quanto o
mercado mundial para alguns outros tipos de membrana, como a osmose
inversa que aumenta a uma taxa de 10,3% ao ano (BCC RESEARCH, 2009).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
18
Os grandes potenciais de mercado da microfiltração estão no
tratamento de efluentes e nas vendas de módulos de membranas para as mais
diversas aplicações. O crescimento neste segmento provém do interesse em
tratar a água de efluentes para adequá-la ao descarte no meio-ambiente ou
ainda, que possa ser reciclada na indústria, permitindo o reuso nos processos
de produção. A Figura 3.6 mostra os valores do mercado global de membranas
desde o ano de 1990, com projeção para 2010.
A Microfiltração está ganhando parte do mercado para a filtração
fria da cerveja e da estabilização microbiana do vinho. A impopularidade
crescente do uso de terra de diatomáceas na filtração da cerveja criou um
grande interesse na tecnologia de membrana (BCC RESEARCH, 2009).
Figura 3.5. Valores desde o ano de 2002 com projeções
até 2013. (Fonte: BCC Research, 2008).
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
12345
Anos
U$ Milhões
2002 2004 2006 2008 2013
Valores Projetados do Mercado
Norte-Americano de Módulos de Membranas
Separações convencionais de líquidos
Outras separações
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
19
3.2.4. Tipos de Materiais Empregados na Produção de Membranas
As membranas podem ser obtidas a partir de dois grandes
grupos, quais sejam: materiais orgânicos e materiais inorgânicos. Dentre os
materiais orgânicos estão, em sua maioria, os poliméricos e, em relação aos
inorgânicos, praticamente quatro tipos de materiais são utilizados no processo
de produção de membranas, são eles, materiais metálicos, vidro, carbono
(grafite) e cerâmica.
Membranas de Materiais Metálicos
Estas membranas podem ser obtidas por diferentes métodos de
preparação, no entanto, o mais utilizado é por sinterização de pós metálicos
como tungstênio, molibdênio, paládio, prata, cobre e aço.
As ligações metálicas são responsáveis pelas principais
características dos metais, tais como, alta condutividade, plasticidade,
Figura 3.6. Valores do mercado global para microfiltração
de 1990, com projeção até 2010. (Fonte: BCC
Research, 2009).
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1 2 3 4 5
Anos
U$ Milhões
1990 1995 2000 2005 2010
Mercado Global de Membranas para Microfiltração
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
20
resistência mecânica e algumas propriedades químicas, particularmente as
catalíticas, o que permite o uso destes materiais como membranas.
Melhorias significativas na separação de hidrogênio proveniente
da gaseificação de carvão podem ser observadas com a utilização de
membranas metálicas. Membranas feitas com liga de paládio e prata têm sido
utilizadas há décadas para o processo de separação do hidrogênio, mas as
ligas são demasiadamente onerosas para serem aplicadas comercialmente
(NATIONAL, 2009).
Membranas de Vidro
As membranas de vidro podem ser preparadas pelo processo
sol-gel a partir de vários suportes como, por exemplo, alumina, vidro poroso,
aço inoxidável, tecidos fibrosos, etc. Ao recobrir o suporte poroso com o gel
de sílica, o gel adere ao substrato modificando a porosidade próxima a
superfície (MOADDEB e KOROS, 1997). O vidro sinterizado, de espessura
reduzida, também pode ser utilizado como suporte.
Existem outros métodos de preparação de membranas de vidro,
como por exemplo, o processo por ataque químico, onde o vidro é
inicialmente separado em duas fases através de tratamento térmico e, em
seguida, é tratado com um ácido que irá dissolver uma das fases. Pequenos
poros podem ser obtidos por este método, mas a uniformidade da estrutura é
de difícil controle.
Membranas de Carbono (Grafite)
As membranas de carbono vêm demonstrando um bom
potencial para aplicações em altas temperaturas (CHEN e YANG, 1994).
Estas membranas vêm sendo desenvolvidas desde os anos 80. Koresh e
Soffer (1983) prepararam membranas de carbono para permeação de
partículas de grandeza molecular. Eles foram os primeiros a mostrar as
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
21
propriedades destas membranas através de uma série de trabalhos
publicados a partir de 1980.
São membranas relativamente de menor custo e são preparadas
basicamente por carbonização de polímeros orgânicos sob condições
controladas de altas temperaturas. Espera-se que os materiais carbonizados
sejam estáveis em altas temperaturas e resistam a ataques químicos (LI,
2007).
A primeira aplicação conhecida de membranas de carbono foi
em reatores de membranas catalíticas, trabalho este publicado por Fischer e
Tropsch no primeiro simpósio internacional de membranas catalíticas
(LINKOV et al, 1994). As membranas de carbono em forma de fibra oca
conferem uma grande área superficial, tendo por isto, grandes perspectivas
para desenvolvimentos futuros.
Os materiais das membranas de carbono são muito
promissores, pois através de simples modificações nas técnicas de
preparação podem ser produzidas membranas com faixa de poros variando
de grandezas moleculares até dimensões macroporosas. Apresentam ainda,
grande potencial para uso em reatores de membranas catalíticas. Entretanto,
as membranas de carbono apresentam algumas limitações, elas não podem
ser usadas, por exemplo, em atmosferas oxidantes (BURGGRAAF e COT,
1996).
Membranas de Cerâmica
O preparo de membranas cerâmicas tem recebido muita atenção
nos últimos anos, com grande quantidade de trabalhos publicados. Nestes
trabalhos mostra-se a eficiência dessas membranas em processos de
separação.
Sua importância maior reside no fato de que permitem a
fabricação de estruturas microporosas bem variadas com um bom controle de
distribuição e de tamanho de poros, caracterizadas por resistências térmicas e
químicas elevadas, porém, excessivamente frágeis. Estas propriedades dos
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
22
materiais cerâmicos são devidas à natureza altamente cristalina destes
materiais, onde as ligações interatômicas ou são totalmente iônicas ou são
predominantemente iônicas com alguma natureza covalente (CALLISTER,
2008).
Tendo em vista que o tema “membranas cerâmicas” é o foco
principal deste trabalho, torna-se conveniente a explanação de um tópico
exclusivamente sobre tal assunto.
3.3. Membranas Cerâmicas
3.3.1. Introdução
O termo “cerâmica” vem da palavra grega “keramikos”, que
significa “matéria-prima queimada”, indicando que as propriedades desejáveis
desses materiais são normalmente atingidas por meio de um tratamento
térmico a alta temperatura (CALLISTER, 2008).
Geralmente, uma membrana cerâmica pode ser descrita como
uma barreira seletiva. Os fatores de permeabilidade e de separação de uma
membrana cerâmica são os dois indicadores de desempenho mais
importantes. Para uma membrana cerâmica porosa, são características
importantes a espessura, o tamanho dos poros e sua distribuição, além da
porosidade. Suas aplicações e os mecanismos de separação dependem do
tamanho do poro. No entanto, com relação a uma membrana cerâmica densa,
o princípio de permeação e de separação são mais complexos.
As membranas cerâmicas foram desenvolvidas a partir de 1940
em aplicações nucleares para separação de isótopos de urânio por processo
de difusão gasosa para aplicação do hexafluoreto de urânio (UF
6
). Nestes
casos eram utilizadas membranas de alumina e de zircônia (GILLOT, 1991 &
HSIEH, 1996).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
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23
Somente em 1978 as membranas cerâmicas apareceram em
aplicações comerciais (HOWELL, SANCHEZ e FIELD, 1993).
As membranas cerâmicas também podem ser constituídas de
uma ou várias camadas de um ou mais diferentes materiais exclusivamente
cerâmicos. As de várias camadas geralmente têm uma sustentação
macroporosa, uma ou duas camadas intermediárias e uma camada superior
microporosa ou densa. A camada inferior fornece o suporte mecânico,
enquanto que as camadas intermediárias fazem uma ponte entre o apoio e a
camada superficial que é onde ocorre efetivamente a separação (LI, 2007).
Estas membranas cerâmicas com várias camadas somente
podem ser conseguidas através de múltiplas etapas de processamento. Cada
etapa envolvendo altas temperaturas de sinterização, fazendo com que a
fabricação destas membranas se torne extremamente onerosas. Obviamente,
o que se deseja é combinar as etapas múltiplas em uma única, diminuindo o
tempo e os custos de produção, com conseqüente queda de preço das
membranas (LI, TAN e LIU, 2006).
A maioria das membranas cerâmicas comerciais é
confeccionada em forma de disco, de placa ou em configuração tubular. As
membranas em forma de discos ou placas, normalmente são montadas como
um módulo plano, enquanto que as membranas tubulares são montadas a
partir de módulos tubulares. Elementos tubulares com vários canais feitos
com alumina têm sido desenvolvidos a fim de aumentar a área superficial por
unidade de volume, permitindo assim elementos de membranas mais
compactos com grandes áreas de separação por unidade de volume (LI,
2007).
Os elementos de membranas cerâmicas podem ser combinados
dentro de módulos. A área superficial em relação ao volume fica por volta de
30-250 m
2
/m
3
para os tubos, 130-400 m
2
/m
3
para multicanais únicos e até 800
m
2
/m
3
para uma série de elementos multicanais combinados em forma de
favo de mel (HSIEH, 1996).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
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24
3.3.2. Características das Membranas Cerâmicas
Nos últimos anos o volume de pesquisas e desenvolvimento de
membranas cerâmicas tem passado por grandes avanços, principalmente em
aplicações onde as membranas poliméricas sofrem mudanças em sua
estrutura durante o processo de separação.
Existem muitas possibilidades do uso de membranas cerâmicas.
Estão sendo utilizadas desde a filtragem de líquidos até a permeação de
gases (BURGGRAAF e COT, 1996). Estudos estão sendo realizados sobre
transporte e separação de gases como o hidrogênio e hélio através do uso de
membranas cerâmicas (SALIM, BORGES e ALVES, 2003).
O consumo deste tipo de membrana vem crescendo
consideravelmente ao longo dos anos. Este crescimento de mercado se dá
em virtude de uma série de vantagens que estas membranas vêm
apresentando, tanto em relação aos processos clássicos de separação, como
destilação, centrifugação, entre outros, quanto em relação às membranas
poliméricas. As membranas cerâmicas estão se tornando mais competitivas
por apresentarem as seguintes características:
• estabilidade térmica;
• inércia química;
• estabilidade biológica;
• resistência mecânica;
• facilidade de limpeza;
• vida útil longa;
• economia de energia;
• seletividade;
• separação de substâncias termolábeis;
• simplicidade de operação;
• ocupação de pouco espaço físico.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
25
Estabilidade Térmica
O emprego de membranas poliméricas é limitado à temperaturas
inferiores à 250 ºC (SANTOS et al, 2005), enquanto que as membranas
inorgânicas, principalmente as de cerâmica, podem ser utilizadas em
temperaturas bem mais elevadas.
Processos de separação submetidos a altas temperaturas são
utilizados para separação de gases, especialmente em combinação com
reações químicas, onde a membrana é usada como barreira seletiva para
remover um dos componentes formados (BHAVE, 1991).
A combinação de elevadas temperaturas e de reações químicas
durante o processo de separação terá importante aplicação no futuro,
principalmente em recuperação de proteínas, eliminação de traços orgânicos,
tratamentos de água, entre outros.
Inércia Química
Embora haja resistência nos materiais poliméricos, a
estabilidade química dos materiais cerâmicos é superior. As membranas
cerâmicas podem ser aplicadas em variados pH, bem como, para vários
solventes orgânicos. Por isto, no campo da microfiltração e da ultrafiltração
pode-se esperar um aumento com relação ao número de aplicações,
especialmente em condições não aquosas.
As tradicionais membranas poliméricas sofrem degradação
acelerada em pH extremamente ácido ou na presença de solventes orgânicos
(SANTOS et al, 1996).
Estabilidade Biológica
Alguns microorganismos que ficam incrustados nas membranas
poliméricas atacam sua superfície degradando-as. Com as membranas
cerâmicas esta degradação não acontece, pois são imunes a ataques
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
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26
biológicos. Além disso, as membranas podem ser lavadas tanto com ácidos
fortes como por soluções alcalinas.
Resistência Mecânica
A resistência mecânica não é prioridade essencial na escolha da
membrana. Somente em algumas aplicações, onde se envolvem pressões
elevadas (em torno de 90 bar), este parâmetro deve ser considerado
(MULDER, 1991). Nestes casos, utilizam-se membranas cerâmicas. Porém
deve-se ter atenção quanto à montagem e manuseio, já que estas
membranas são extremamente frágeis.
Facilidade de Limpeza
As membranas cerâmicas são fáceis de limpar, principalmente
em aplicações onde ocorre o fenômeno de “foulings” (entupimento)
envolvendo microfiltração e ultrafiltração. Estas obstruções nos poros das
membranas provocam um decréscimo rápido no fluxo, fazendo-se
necessárias limpezas constantes através de processos como retrolavagem,
que consiste em direcionar o fluxo no sentido contrário ao do processo normal
de funcionamento do sistema. Para as membranas cerâmicas todos os tipos
de agentes de limpeza podem ser utilizados (BURGGRAAF e COT, 1996)
Vida Útil Longa
O tempo de vida útil das membranas cerâmicas é maior que os
das membranas poliméricas (MULDER, 1991). Porém, a vida útil da
membrana cerâmica vai depender de uma manutenção preventiva adequada.
Por ser muito frágil, deve-se manuseá-la adequadamente, evitando pancadas e
quedas. Durante a montagem de equipamentos envolvendo membranas
cerâmicas, devem-se promover os apertos com cuidado, utilizando
torquímetros para evitar excessos.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
27
Durante a operação de separação de espécies, uma retrolavagem
pode ser utilizada, de modo que se evitem incrustações e, conseqüentemente,
perda de rendimento. Deve-se também monitorar as pressões do sistema. Uma
pressão excessivamente elevada pode danificar as membranas. Em condições
normais de operação as membranas cerâmicas têm uma longa vida útil (SILVA,
2006).
Economia de Energia
Os processos de separação por membranas, em sua grande
maioria, promovem a separação sem que ocorra mudança de fase. Neste
sentido são processos energeticamente favoráveis. Esta é uma das razões
pela qual seu desenvolvimento coincide com a crise energética dos anos 70,
devido ao elevado preço do petróleo na época (BHAVE, 1991).
Seletividade
A seletividade é outra característica importante dos processos
com membranas. Em algumas aplicações estes processos se apresentam
como a única alternativa técnica de separação. No entanto, na maioria dos
casos, os processos híbridos envolvendo os clássicos e com membranas, cada
qual atuando onde é mais eficiente, tem se mostrado como a opção mais
econômica e eficiente de separação (HABERT, BORGES e NOBREGA, 2006).
Separação de Substâncias Termolábeis
A maioria dos processos com membranas são operados à
temperatura ambiente. São aplicados principalmente no fracionamento de
misturas envolvendo substâncias termo sensíveis. Por este motivo eles têm
sido largamente empregados na indústria farmacêutica e de alimentos. Nestes
processos são utilizadas membranas cerâmicas, pois a limpeza após o uso
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
28
deve ser feita por esterilização e, neste caso, as membranas poliméricas não
suportariam temperaturas em níveis de esterilização (GEOFILTRATION, 2008).
Simplicidade de Operação
Ao contrário da maioria dos processos de separação, os
processos com membranas apresentam, ainda, a vantagem de serem
extremamente simples do ponto de vista operacional. Os sistemas são
modulares e os dados para o dimensionamento de uma planta podem ser
obtidos a partir de equipamentos pilotos operando com módulos de
membrana de mesma dimensão daqueles utilizados industrialmente. Além
disso, a operação dos equipamentos com membranas é simples e não
intensiva em mão-de-obra (GEAFILTRATION, 2009).
Ocupação de Pouco Espaço Físico
Os processos convencionais de separação, principalmente as
estações de tratamento de água, necessitam de vários equipamentos, filtros
de areia e reservatórios para manter um adequado sistema de funcionamento.
Todos estes acessórios ocupam grandes espaços físicos. Um sistema
compacto utilizando membranas cerâmicas diminui bastante o espaço físico e
permite manter a mesma eficiência do sistema (HSIEH, 1996).
3.3.3. Matérias-Primas para Desenvolvimento de Membranas Cerâmicas
A região Nordeste do Brasil é bastante rica em recursos minerais
para desenvolvimento de produtos cerâmicos. Dentre estes, os mais
importantes são: argila, caulim, quartzo, feldspato, etc. O Estado da Paraíba
contém todos estes minérios. Na região litorânea existem jazidas de argilas ball
clay. Já a região do Cariri é beneficiada com vários tipos de argilominerais,
tendo como destaque as jazidas de caulim.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
29
Todos estes minérios possuem potencial de aplicação na
obtenção de membranas cerâmicas, podendo ser submetidos ou não a um
beneficiamento visando alterar suas características físicas.
3.3.3.1. Argila
Argila é um material natural, de textura terrosa, de granulação
fina, constituída essencialmente de argilominerais, podendo conter outros
minerais que não são argilominerais (quartzo, mica, pirita, hematita, etc.),
matéria orgânica e outras impurezas. Os argilominerais são os minerais
característicos das argilas; quimicamente são silicatos de alumínio ou
magnésio hidratados, contendo em certos tipos outros elementos como ferro,
potássio, lítio e outros (ABC, 2008).
Graças aos argilominerais, as argilas na presença de água
desenvolvem uma série de propriedades tais como: plasticidade, resistência
mecânica a úmido, retração linear de secagem, compactação e tixotropia, as
quais explicam sua grande variedade de aplicações tecnológicas. Os principais
grupos de argilominerais são caulinita, ilita e esmectita ou montmorilonita.
Em função principalmente das possibilidades de emprego
tecnológico, que são influenciadas pela gênese e pela composição
mineralógica do material, em muitos casos as argilas recebem designações
como: ball clays, caulins, bentonitas, refratárias e flint-clays (ABC, 2008).
Argila Ball Clay
Trata-se de uma argila com predomínio de caulinita
acompanhada de outros argilominerais (ilita, esmectita e clorita), além de
quantidades subordinadas de quartzo, feldspato potássico e calcita. Apresenta
alta plasticidade, às vezes, refratária, comumente caracterizada pela
associação com matéria orgânica e tonalidades que variam do amarelo claro
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
30
até vários matizes de cinza. É largamente usada na indústria de produtos
cerâmicos finos (louças, porcelanas, etc.) (GEOGRAL, 2009).
Caulim
O termo caulim, originado da palavra chinesa “Kao Ling” (colina
alta), define um grupo de argilominerais de composição aproximada
Al
2
Si
2
O
5
(OH) no qual se incluem caulinita, nacrita, dickita e anauxita.
Trata-se de uma matéria-prima de peso específico 2,6 g/cm
3
e
ponto de fusão 1785 ºC, cor branca, com variações entre o creme e amarelo
até o róseo, macia, e não abrasiva, em geral quimicamente inerte, dentro de
uma ampla faixa de pH e apresentando baixa condutividade de calor e
eletricidade. No segmento industrial é largamente empregado em papel,
cerâmica, tinta, borracha, plástico, cimento, inseticida, medicamento, produto
alimentício, fertilizante, abrasivo, defensivo agrícola, vidro, cosmético, ração,
catalisador, absorvente, gesso, detergente, etc. No mercado nacional 95% do
consumo de caulim destina-se às indústrias de papel e de cerâmica
(GEOGRAL, 2009).
O caulim foi bem estudado em décadas passadas para uso em
cerâmicas convencionais. Entretanto, interesses atuais têm sido renovados no
sentido de converter o caulim em mulita para preparação de materiais para
membranas devido ao baixo custo, além de se utilizar para esta conversão
temperaturas relativamente baixas na etapa de sinterização (BELOUATEK, et
al, 2005).
3.3.3.2. Óxido de Alumínio
O óxido de alumínio (Al
2
O
3
) é um composto formado por alumínio
e oxigênio. Também é conhecido como alumina, um nome usado
frequentemente pelos cerâmistas e pela ciência dos materiais. Trata-se de um
material químico sintético de peso específico 3,98 g/cm
3
, ponto de fusão acima
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
31
de 2000 °C e de cor branca. É um abrasivo de alta dureza, apresentando baixa
condutividade térmica e elétrica (CALLISTER, 2008)
Na prática comercial existe uma grande variedade de tipos de
alumina que recebem uma série de adjetivos, tais como: calcinada, baixa soda,
hidratada, gama, tabular, eletrofundida e outras. A base para a produção
dessas aluminas é principalmente o processo Bayer, que consiste
resumidamente em:
• tratamento do bauxito com hidróxido de sódio em tanques
pressurizados e aquecidos a 145 ºC (digestores), resultando numa
solução de aluminato de sódio e uma lama vermelha insolúvel, onde
se concentram as impurezas. A lama vermelha é decantada e filtrada
e a solução de aluminato de sódio é nucleada com cristais de gibbsita
e resfriada, obtendo dessa forma a gibbsita (Al
2
O
3
.3H
2
O). A gibbsita é
calcinada em fornos rotativos à temperatura de aproximadamente
1000 ºC.
A alumina produzida pelo processo Bayer pode ser destinada
tanto para produção de alumínio metálico como para matéria-prima em
cerâmica. Na produção de alumina para cerâmica há necessidade de se
introduzir algumas modificações no processo Bayer e no tratamento térmico,
(temperaturas que variam de 1250 a 1500 ºC), visando principalmente reduzir o
teor de Na
2
O e controlar o tamanho e forma dos cristais que tem influência
sobre as propriedades finais do produto cerâmico. Dessa forma são obtidos
inúmeros tipos de óxidos de alumínio, cada um com determinadas
características e campo de aplicações (ABC, 2009).
A alumina pode ser empregada para fabricação de refratários,
fibras cerâmicas e de inúmeros produtos classificados como cerâmica técnica,
tais como: isoladores elétricos de porcelana, placas para revestimento de
moinhos e silos, elementos moedores (esferas e cilindros), guia-fios para a
indústria têxtil, camisas e pistões de bombas, bicos de pulverização agrícola,
tubos de proteção de termopar, selos mecânicos, parte cerâmica da vela de
ignição dos automóveis, substratos para microeletrônica (ABC, 2009).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
32
No caso de aplicações que exigem aluminas isentas de
impurezas, granulometria extremamente fina, tamanho e forma de grãos
rigorosamente controlados, utilizam-se outras aluminas, obtidas por processos
químicos não convencionais. Exemplos de aplicações: tubos de alumina
translúcida para lâmpada de vapor de sódio, peças para implantes, etc. (ABC,
2009).
3.3.3.3. Outros Materiais
As membranas cerâmicas podem ser preparadas basicamente a
partir de quatro óxidos: óxido de silício (SiO
2
), óxido de titânio (TiO
2
), óxido de
zircônio (ZrO
2
) e, como já foi mencionado, óxido de alumínio (Al
2
O
3
)
(PATERSON, 1995). Muitos outros materiais como mulita e cordierita também
têm sido citados na preparação de membranas cerâmicas (BURGGRAAF e
COT, 1996 & ZHOU et al, 2005).
Estudos recentes mostram membranas de alumina e de zircônia
que passaram por processo de modificação com objetivo de torná-las densas
e permeáveis e assim, utilizá-las em processos de pervaporação para
separação de álcool/água. Para isto foram utilizados dois polímeros: o
polidimetilsiloxano e o polimetacrilato de metila. As membranas assim
modificadas apresentaram características hidrofílicas (TAVARES, 2000).
3.3.4. Técnicas para o Preparo de Membranas Cerâmicas
Várias técnicas podem ser utilizadas no preparo de membranas
cerâmicas. As mais importantes são: processo sol-gel, oxidação anódica e
sinterização.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
33
3.3.4.1. Processo Sol-Gel
Membranas cerâmicas obtidas pelo método sol-gel apresentam
propriedades únicas, tais como, distribuição uniforme de poros e estrutura
controlada.
O processo sol-gel envolve a obtenção de uma matriz inorgânica
através da formação de um sol e sua transformação em um gel úmido, que
após a retirada do líquido forma o gel seco e poroso que pode ser sinterizado
em um sólido denso e amorfo. Aditivos químicos de controle da secagem são
adicionados ao sol a fim de se reduzir o tempo de processamento e de se
evitar o aparecimento de trincas nas membranas durante a etapa da secagem
(LENZA e VASCONCELOS, 2002).
Um exemplo são as membranas de zircônia. Elas podem ser
produzidas a partir do hidróxido de zircônia precipitado pela adição de uma
solução de amônia numa solução clorídrica de zircônio ou pela hidrólise
completa de um alcoóxido. O ácido clorídrico é um agente peptizante. O
passo da peptização é essencial para obter o estado sol e uma morfologia
homogênea da membrana. A estabilidade sol depende do pH e da
concentração do eletrólito (LARBOT et al, 1989).
3.3.4.2. Oxidação Anódica
Membranas de alumina anódica têm sido estudadas
extensivamente (MARDILOVICH et al, 1995). Durante a oxidação anódica do
alumínio uma camada porosa de óxido de alumínio hidratado é formada e
adere firmemente ao substrato metálico, tornando-se de difícil remoção.
Normalmente membranas de alumina anódica são feitas a partir
da liberação do substrato de alumínio através de ataque químico, tanto por
dissolução da folha de alumínio ou por dissolução de um filme de alumina
formando uma camada contínua da superfície do alumínio durante o
crescimento do filme da alumina. Estas membranas têm uma estrutura planar
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
34
com poros uniformes e paralelos de formato hexagonal, sem interseção e
altamente reproduzível (LIRA e PATERSON, 2002).
Durante o processo de anodização, alguns íons, provenientes dos
eletrólitos são incorporados à membrana como impurezas. Entretanto, verifica-
se na literatura a necessidade de estudos que relacionem a influência destes
íons no diâmetro dos poros e das células das membranas de alumina anódica
(TAVARES, 2002).
3.3.4.3. Sinterização
O processo de preparação de membranas pelo método de
sinterização consiste de quatro etapas principais: homogeneização,
conformação, secagem e queima.
Homogeneização da Massa Cerâmica
A massa cerâmica é misturada com água e aditivos líquidos até
se tornar bem homogênea e adequada ao processo de conformação. A mistura
é uma etapa muito importante tendo em vista que a água e os aditivos líquidos
devem estar uniformemente distribuídos ao longo de toda a massa cerâmica. É
necessária, em alguns casos, a quebra dos aglomerados que são formados. O
ideal é que cada partícula sólida fique envolta por uma camada ou filme de
água e aditivos líquidos.
Conformação
A conformação pode ser feita através de prensagem ou por
extrusão.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
35
Prensagem
Esta operação de conformação é baseada na compactação da
massa contida no interior de uma matriz rígida ou flexível, através da aplicação
de uma pressão. O objetivo da prensagem é o de produzir peças uniformes de
acordo com as dimensões e geometria pré-estabelecidas e contribuir na
obtenção de microestruturas adequadas as características finais desejadas.
A prensagem pode ser uniaxial ou isostática. Na prensagem
uniaxial ocorre falta de uniformidade de pressão dentro do molde provocando
diferenças na densidade ao longo da peça prensada. Em compensação, neste
tipo de prensagem há possibilidade de se produzir peças das mais variadas
formas, além de ser possível promover automação no sistema e, assim, ter
uma alta taxa de produção.
Na prensagem isostática a compactação do pó se dá no interior
de uma matriz flexível sobre a qual atua um fluido pressurizado. Neste caso há
uma uniformidade de pressão tornando a densidade da peça prensada bem
uniforme. Há também possibilidade de se produzir peças com muitos detalhes,
porém a taxa de produção é limitada.
A produção de membranas de cerâmica pelo método de pressão
isostática é mais viável, pois a uniformidade da densidade causa uma melhor
distribuição de poros, além de manter o tamanho dos poros mais uniformes.
Extrusão
É outra técnica de conformação bastante utilizada na indústria
cerâmica. Pode ser definida como sendo um processo pelo qual a massa
cerâmica, de forma plástica, é forçada a passar através do orifício de uma
matriz. Forma-se assim uma peça cerâmica extrudada com controlada área de
seção transversal.
A extrusão é uma técnica de conformação bastante produtiva. É
aplicada para produção em grande escala, mas também pode ser feita em
escala laboratorial. Peças como tijolos e telhas, materiais refratários,
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
36
porcelanas elétricas, substratos magnéticos e elétricos, tubos cerâmicos,
membranas tubulares, assim como, substratos para membranas tubulares
podem ser produzidos por extrusão.
Algumas variáveis devem ser levadas em consideração na
moldagem por extrusão, tais como, formato do molde, desenho da hélice,
geometria e rotação do parafuso sem-fim, potência aplicada e
dimensionamento da câmara de vácuo. Durante este processo é de
fundamental importância a retirada de ar do sistema, já que é necessário evitar
a formação de vazios proporcionados pelo ar existente dentro da massa. Por
isto há necessidade de instalação de uma câmara de vácuo à extrusora.
A Figura 3.7 mostra uma extrusora de parafuso sem-fim simples.
A massa cerâmica, previamente preparada e com teor de umidade controlada,
é colocada no sistema de alimentação onde é forçada pelo parafuso sem-fim.
O ar presente na massa é retirado por uma bomba de vácuo conectada ao
sistema. As características reológicas da massa também devem ser levadas
em consideração.
O processo de extrusão é contínuo, porém, geralmente todo
material extrudado, posteriormente é cortado no comprimento desejado, após a
secagem. Com este processo se consegue produzir peças tanto de formato
simples, como de formatos complexos e o ferramental tem um custo
Alimentação
Sistema de
vácuo
Matriz
(abertura)
Material
extrudado
Figura 3.7. Esquema de extrusora com parafuso sem-fim simples. (Fonte:
França, 2006).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
37
relativamente baixo. Porém, os equipamentos têm custo elevado e, se os
parâmetros de regulagem do processo não forem bem controlados, as peças
produzidas poderão apresentar uma série de defeitos, como fissuras
longitudinais, trincas superficiais, encurvamento, etc. Com este processo se
consegue produzir membranas tubulares com os mais variados perfis.
Secagem
Secagem é o processo pelo qual se retiram a água e outros
produtos líquidos presentes nos materiais sólidos porosos. Por meio do ar
quente ou através da própria temperatura ambiente, o calor penetra no interior
da peça e vaporiza a água e os líquidos de suspensão e de interpartículas
transportando-os para fora da peça.
Um controle na taxa de secagem é muito importante, pois com a
saída dos líquidos em forma de vapor, há uma propensão ao surgimento de
vários defeitos, tais como: trincas, deformação, baixa resistência e, até mesmo,
quebras. Nesta fase a peça pode ter retração.
Queima
O processo de queima é dividido em três etapas: aquecimento,
sinterização e resfriamento.
Etapa de Aquecimento
A etapa de aquecimento é importante e deve ser bem controlada,
pois é nesta fase que a peça cerâmica tem as maiores perdas de massa. No
início do processo são perdidos os materiais orgânicos, logo após acontece
perda das hidroxilas e finalmente os carbonatos. Nesta etapa, se o controle da
temperatura não for adequado, podem acontecer defeitos como, deformações,
trincas e quebras.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
38
Etapa de Sinterização
Sinterização pode ser definida como um processo termicamente
ativado através do qual um conjunto de partículas apenas em contato mútuo
liga-se umas às outras formando um “pescoço”, em decorrência da
transferência de átomos de uma partícula à outra por difusão. Na etapa de
sinterização podem ocorrer alterações de porosidade, diminuição e/ou remoção
de poros entre as partículas e retração dimensional. Observa-se um aumento
do nível de densificação e das propriedades mecânicas dos materiais
cerâmicos em função do aumento da temperatura final de sinterização
(SANTOS et al, 2005).
Mecanismos de Formação do Pescoço Através do Transporte Atômico
O fluxo de átomos entre duas partículas durante o aquecimento
em estado sólido pode ocorrer por dois mecanismos predominantes: transporte
pela superfície e transporte pela matriz, conforme ilustrados na Figura 3.8.
O mecanismo de transporte pela superfície envolve o movimento
atômico por deslocamento superficial não ocasionando uma variação no
espaçamento entre as massas envolvidas (sem densificação), pois o fluxo de
massa origina e termina sobre a superfície da partícula. Este movimento
atômico pode ocorrer por difusão superficial (1), difusão por volume (2 e 4) ou
evaporação-condensação (3) (LEE e RAINFORTH, 1994).
No mecanismo de transporte pela matriz ou volume, o
crescimento do pescoço se faz por intermédio do movimento atômico pelo
interior da partícula, depositando-se na região do pescoço. Dentro desta
classe, os principais mecanismos de transporte pela matriz são: difusão por
volume (5) e difusão por contorno de grão (6).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
39
As mudanças microestruturais que ocorrem durante a etapa de
sinterização ocorrem em três estágios, são eles:
Primeiro estágio:
• rearranjo - leve movimento de rotação das partículas adjacentes para
aumentar os pontos de contato;
• formação dos pescoços por difusão nos pontos de contato.
Segundo estágio:
• crescimento do pescoço - os tamanhos dos pontos de contato cresce
formando os poros. Ao mesmo tempo, a porosidade diminui e
partículas se aproximam levando à retração da peça;
• crescimento de grão - partículas maiores agora chamadas de grão
crescem consumindo os grãos menores. Este estágio termina quando
os poros estão isolados.
Figura 3.8. Mecanismo de formação do pescoço através do
transporte de átomos. (Fonte: adaptado de Lee e
Rainforth, 1994).
Contorno de grão
Poro
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
40
Terceiro estágio:
• Sinterização final – diminuição final da porosidade por difusão de
vazios ao longo dos contornos de grão. Tamanho de grão aumenta.
A Figura 3.9 ilustra os estágios relativos as mudanças da
microestrutura ocorridos durante a etapa de sinterização.
De uma forma mais ampla, a etapa de sinterização pode ser
classificada de duas maneiras: sinterização por fase sólida e sinterização por
fase líquida.
Sinterização por Fase Sólida
Neste caso, durante o processo de aquecimento e isoterma,
nenhuma das fases do material sob sinterização está presente na forma
líquida. O mecanismo de sinterização é a difusão atômica em estado sólido.
Deste modo, regiões das partículas que possuem altas áreas superficiais
específicas (energia por unidade de massa) devem ter suas formas
suavizadas, ou seja, seus perfis tornam-se mais arredondados. Na área de
contato entre as duas partículas forma-se o pescoço. Para isto, como já foi
mencionado, pela ação da temperatura, através do processo de difusão,
Primeiro estágio Segundo estágio
Poro
Pescoço
Contorno
de grão
Terceiro estágio
Figura 3.9. Mudanças microestruturais durante o processo
de sinterização. (Fonte: adaptado de Callister,
2008).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
41
átomos de ambas as partículas migram delas para a região de contato
formando o pescoço e assim, o processo de sinterização (THÜMMLER, 1994).
Sinterização por Fase Líquida
Neste tipo de sinterização necessariamente existem, no mínimo,
dois diferentes materiais misturados sinterizando. Uma fase líquida surge à
determinada temperatura como conseqüência da fusão de um dos
componentes ou de uma reação entre eles. É esta fase líquida a responsável
pela queda da energia superficial do sistema e pela diminuição da porosidade,
provocando o enrijecimento da estrutura quando a temperatura é abaixada e o
líquido é solidificado (LEE e RAINFORTH, 1994).
Assim que o líquido é formado, ele se espalha e molha as
partículas sólidas. A quantidade de líquido formada é um parâmetro importante,
já que, quanto mais líquido, maior será o efeito de sua penetração pela
estrutura porosa.
Outro fenômeno que pode acontecer é quando a fase líquida
dissolve a fase sólida. Este processo é dependente do tamanho das partículas.
As partículas menores tendem a dissolver mais que as partículas maiores.
Existe ainda um tamanho de partícula crítico além do qual, ao invés de serem
dissolvidas as partículas recebem materiais e crescem, ou seja, material é
reprecipitado sobre elas. Isto faz com que as partículas menores tendam a
diminuir de tamanho e serem consumidas pelas partículas maiores que, devido
a este fenômeno, tendem a aumentar de tamanho. A Figura 3.10 ilustra este
fenômeno (GERMAN, 1996).
Segundo German (1996), durante a etapa de sinterização por
fase líquida podem ocorrer progressivas mudanças microestruturais, tais como:
crescimento de grãos, aumento da área superficial sólido-líquido, rotação de
grãos e coalescência. Trata-se de eventos bem mais complicados do que
simplesmente difusão de átomos. De fato, coalescência e crescimento de grãos
podem ser eventos importantes e devem ser bem apreciados.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
42
Na fase de sinterização por fase líquida existem dois tipos
possíveis de solubilidade: solubilidade líquida no sólido e solubilidade sólida no
líquido. A solubilidade líquida no sólido leva à uma fase transiente de
considerável sensibilidade ao processo e uma migração de líquido favorecendo
a formação e aumento do tamanho dos poros durante a queima. No caso de
solubilidade sólida no líquido, há um favorecimento a densificação.
A Figura 3.11 mostra os dois possíveis eventos de um pequeno
aglomerado de partículas. Para o sistema “a” com solubilidade sólida no líquido
há formação de densificação, enquanto que no sistema “b”, pode haver
formação de poros pela migração do líquido através das partículas.
Condição inicial
Estrutura densa
Partícula
Líquido
Poro
Zona reprecipitada
Tamanho original
Poro
Figura 3.10. Esquema da diminuição dos poros via reprecipi-
tação através do contorno das partículas. (Fonte:
adaptado de German, 1996)
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
43
Etapa de Resfriamento
Finalmente, no final do processo de queima, vem a fase de
resfriamento onde podem ocorrer algumas transformações de fase. Por isso, a
taxa de resfriamento deve ser lenta o suficiente para evitar o surgimento de
vários defeitos, tais como, trincas, deformações e até mesmo quebras. Nesta
fase a peça também pode sofrer retração.
As membranas produzidas pelo processo de sinterização terão
porosidade final e tamanho médio de poros que estão relacionados com a
massa e com a curva de queima, ou seja, a temperatura durante todo o
processo. Em se tratando da massa, a composição, a densidade, o tamanho
das partículas, bem como a sua distribuição e o formato do pó, são os
partículas
migração
densificação
poros
Figura 3.11. Diferença entre densificação e preenchimento de poros
versus formação de poros pela migração de liquido.
(Fonte: adaptado de German, 1996)
(a)
(b)
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
44
parâmetros mais importantes. Com relação a temperatura, variáveis como
taxas de aquecimento e de resfriamento, além do tempo de permanência à
temperatura máxima de sinterização são os pontos mais relevantes. Todos
estes parâmetros estão interrelacionados e devem ser considerados
isoladamente.
Esta técnica também pode ser utilizada para polímeros e para
metais. As principais características das membranas produzidas por processo
de sinterização são apresentadas na Figura 3.12.
3.3.5. Caracterização de Membranas Cerâmicas
Caracterizar uma membrana é determinar um conjunto de
propriedades adequadas de modo a prever seu comportamento durante o
processamento e uso.
Dependendo da aplicação, estas membranas podem apresentar
diferenças significativas em termos funcionais e estruturais. O conhecimento da
morfologia das membranas e sua relação com as propriedades de transporte
são importantes para uma melhor compreensão dos fenômenos envolvidos nos
problemas de separação e fornece informações que permitem selecionar a
melhor estrutura para uma dada separação. Portanto, qualquer que seja a
OOOOOOO
OOOOOOO
OOOOOOO
OOOOOOO
CARACTERÍSTICAS
DADOS
Natureza
Porosidade
de 1 a 50%
Tipos de materiais Cerâmicas, metais e polímeros
Aplicações
Microfiltração e ultrafiltração
Figura 3.12. Principais características de membranas produzidas pelo
processo de sinterização.
Porosas,
conforme
Fig. 3.3.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
45
técnica empregada no preparo de uma membrana é necessária a sua
caracterização, pois só assim é possível se determinar qual tipo de aplicação a
membrana estará apta a ser utilizada (HABERT, BORGES e NOBREGA,
2006).
Os processos de separação com membranas têm sido aplicados
nos mais variados ramos de atividades, envolvendo espécies de tamanho e
natureza química diferentes. Por este motivo, estas aplicações requerem cada
vez mais a utilização de membranas cerâmicas com características
específicas.
Atualmente, diferentes técnicas de caracterização são utilizadas
no estudo estrutural das membranas (BENITO, CONESA, e RODRIGUEZ,
2004). O que se busca com estas técnicas é relacionar as propriedades
estruturais com as características de separação. No caso de membranas
porosas, as características importantes são porosidade, tamanho médio dos
poros, distribuição de tamanho de poros, tortuosidade, área superficial
específica e espessura. Em relação às membranas densas, a cristalinidade,
características físico-químicas, bem como a espessura do filme e volume livre,
são parâmetros importantes.
Com relação às membranas cerâmicas compostas, além das
características da pele, que é a parte ativa da membrana cerâmica, as
características do suporte poroso também devem ser incluídas.
No caso de membranas cerâmicas densas, como o mecanismo
de separação ocorre por difusão e/ou sorção, o que vai determinar o poder de
retenção ou de passagem, serão as características físico-químicas do material
que constitui a membrana.
3.3.5.1. Caracterização de Membranas Cerâmicas Porosas
Diversos métodos têm sido propostos para a caracterização da
morfologia de membranas cerâmicas porosas. A observação direta da
morfologia da membrana pode ser feita por microscopia eletrônica e, em alguns
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
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46
casos, por microscopia ótica. Outras técnicas de caracterização são a
porosimetria pelo método de intrusão de mercúrio e a permeabilidade.
Microscopia Eletrônica
Dentre as técnicas de microscopia para caracterização de
membranas cerâmicas porosas, basicamente se utiliza a microscopia eletrônica
de varredura (MEV). Esta técnica permite uma caracterização rápida e precisa
da estrutura porosa das membranas, já que, com esta técnica, se consegue
mostrar imagens bem definidas de poros na faixa de mícrons até
aproximadamente 10 nm, o que é suficiente para caracterização de
membranas de microfiltração e de ultrafiltração (LIRA e PARTERSON, 2002).
Porosimetria pelo Método de Intrusão de Mercúrio
A caracterização de meios porosos por intrusão de mercúrio é
efetuada a partir de medidas do volume de mercúrio que penetra nos poros de
uma membrana cerâmica seca, em função da pressão aplicada. O método
baseia-se na equação de Laplace (Equação 3.1) que fornece uma relação
entre o raio do poro (r
p
) e a pressão (P) necessária para se vencer a tensão
superficial entre o líquido (mercúrio) e o material da membrana, ou seja:
[3.1]
Onde:
σ – Tensão superficial entre o mercúrio e a cerâmica; σ = 0,48 N/m
θ – Ângulo de contato do mercúrio com a cerâmica, θ = pode variar entre 130 e
140º (CALLISTER, 2008).
Como geralmente o mercúrio não molha o material da membrana,
o ângulo de contato é maior que 90º e, conseqüentemente, o cosθ é negativo.
Esta é a razão do sinal negativo na Equação 3.1 (CALLISTER, 2008).
P
r
p
θ
σ
cos..2
−=
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
47
Tendo em vista que o volume de mercúrio e a pressão do sistema
podem ser medidos com precisão, o método permite uma determinação precisa
do tamanho dos poros a da distribuição de tamanho de poros da membrana
cerâmica microporosa.
Permeabilidade
Medidas de fluxo permeado através de membranas podem ser
utilizadas para se estimar o tamanho dos poros dessas membranas. Assim,
admitindo-se que uma membrana apresente poros de forma cilíndrica, o
tamanho desses poros pode ser estimado com o auxílio da equação de Hagen-
Poiseuille:
[3.2]
Onde:
J – Fluxo permeado;
ε – Porosidade da membrana;
η – Viscosidade do líquido penetrante;
τ – Tortuosidade;
∆P – Gradiente de pressão;
∆x – Espessura da membrana.
De acordo com a Equação 3.2, tem-se que o aumento de ∆P e a
diminuição de ∆x levam ao aumento de fluxo. Porém, isto impõe uma elevada
resistência mecânica à membrana.
Considerando-se as membranas como tendo poros
exclusivamente cilíndricos, a porosidade da membrana é dada por:
[3.3]
x
Pr
J
Δ
Δ
×
××
×
=
τη
ε
8
2
A
rn
2
××
=
π
ε
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
48
Onde:
n – número de poros;
r – raio dos poros;
A – Área da membrana.
A permeabilidade P da membrana para o líquido em questão é
definida por:
[3.4]
Substituindo “ε“ (equação 3.3) na equação 3.4, tem-se:
[3.5]
Esta abordagem depende do modelo escolhido e do valor
estimado para os parâmetros utilizados. Além disso, o modelo fornece um valor
único para o produto (n.r
4
) o que deixa o problema indeterminado, mesmo que
a membrana apresente uma distribuição uniforme de poros, uma vez que, um
mesmo resultado pode ser obtido para um número grande de poros pequenos
ou um pequeno número de poros grandes.
O fluxo ideal é, portanto, aquele que combina elevada
permeabilidade com capacidade de separação do filtrado. Ao se reduzir o
diâmetro do poro filtrante diminui-se a vazão de acordo com a lei de Poiseuille,
isto com a quarta potência do seu diâmetro (KITAO, ISHIZAKI e ASAEDA,
1991). Consequentemente é necessário que a membrana filtrante tenha
elevada porosidade e seja constituída de um sistema de poros percolados.
Para que a membrana cerâmica atinja suas finalidades, a
distribuição do diâmetro de poros deve ser estreita e unimodal. Poros de
pequeno diâmetro com estrutura uniforme exigem o uso de pós de baixa
granulometria com uma adequada distribuição de tamanho de partículas.
Devido à alta capacidade de sinterização desses pós finos o controle da
x
r
P
Δ×××
×
=
τη
ε
8
2
xA
rn
P
Δ××××
××
=
τη
π
8
4
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
49
porosidade é atingido através do controle da temperatura na etapa de
sinterização e do tempo de permanência a esta temperatura.
As medidas de fluxo permeado através de membranas cerâmicas
também podem ser utilizadas para verificar a produtividade, geralmente dada
por unidade de volume ou peso, por tempo, por área da membrana (kg/h.m
2
).
Existem, ainda, outros métodos para caracterização de
membranas porosas, são eles: adsorção e dessorção de gás, ponto de bolha,
rejeição de solutos polidispersos e permeação de gás-líquido. Todos estes
métodos são bastante utilizados, porém em menor intensidade dos
mencionados anteriormente.
3.3.6. Desvantagens das Membranas Cerâmicas
Apesar de todas as características apresentadas, as membranas
cerâmicas apresentam algumas desvantagens. A primeira está relacionada ao
alto custo para implantação do sistema em virtude do alto preço das
membranas (COT, 1991), se requerendo, portanto, um alto investimento
inicial.
O alto custo das membranas se deve às matérias-primas que
são importadas e sintéticas. Esforços significativos estão sendo feitos nestes
últimos anos no campo da tecnologia de membranas para encontrar novos
materiais cerâmicos a preços mais competitivos (MUKASYAN et al, 2001 & LI,
ZHANG e WANG, 2001). Um outro ponto a ressaltar é a dificuldade de
processamento das membranas cerâmicas.
3.3.7. Aplicações das Membranas Cerâmicas
Como mencionado anteriormente, o número de aplicações das
membranas cerâmicas tem crescido cerca de 15% ao ano, apesar dos
conhecimentos detalhados sobre aplicações comerciais ainda serem restritos.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
50
As aplicações desta tecnologia são essencialmente dirigidas
pela razão entre custo e benefício. Baseando-se nesta linha de pensamento,
as aplicações das membranas cerâmicas estão classificadas em três grandes
grupos (BURGGRAAF e COT, 1996): no tratamento de resíduos no estado
líquido para possibilitar seu descarte; na reciclagem, para possibilitar o reuso
do material e em processos de produção.
3.3.7.1. Tratamento de Resíduos
A crescente preocupação mundial com a preservação ambiental
vem impondo mudanças no gerenciamento de resíduos industriais, o que vem
contribuindo na busca por novas tecnologias para o tratamento destes
resíduos. Processos que vem recebendo crescente atenção devido a sua
eficiência energética e facilidade de operação são os que utilizam membranas
cerâmicas como princípio ativo de seu funcionamento (FRANÇA, 2006).
Alguns exemplos são citados a seguir.
Efluentes de Compressores
Na geração de ar comprimido através de compressores forma-se
uma mistura de água e óleo lubrificante denominada de condensado. Este
condensado contém 0,5% de óleo lubrificante. Em alguns países o descarte
deste produto no meio-ambiente é proibido por lei se a concentração estiver
acima de 10 ppm. Ao se utilizar membranas cerâmicas (tamanho de poro de
0,2 μm) este limite legal é facilmente obtido (WOUTERS, 1994).
Tratamento de Emulsões Industriais
Em muitos países industrializados resíduos oleosos são coletados
e tratados em centros de tratamento privados ou públicos. Estas emulsões são
tratadas com sucesso através de membranas de cerâmica.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
51
Tratamento de Efluentes de Navios
Estes efluentes são oriundos de misturas dos resíduos de água
do mar, combustíveis, óleos, gorduras e detergentes encontrados na casa de
máquinas dos navios. A descarga desta mistura no mar é proibida por lei, pois
causa danos ao meio-ambiente. Esta mistura pode ser tratada utilizando
membranas de cerâmica (tamanho de poro de 0,2 μm) juntamente com alguns
detergentes, a bordo do próprio navio (BURGGRAAF e COT, 1996).
Efluentes Provenientes da Produção de Produtos Naturais
Na produção de óleo de oliva, por exemplo, é formada uma
grande quantidade de mistura de água e resíduos oleosos. Um tratamento de
microfiltração utilizando membranas de cerâmica seguidas de ultrafiltração e
osmose inversa produz bons resultados (BURGGRAAF e COT, 1996),
Processamento de Peixes
No processamento de peixes, uma grande quantidade de água é
usada tanto na limpeza quanto no transporte. A água se torna poluída com
gorduras, proteínas, espinhas e sangue. Utilizando-se a microfiltração com
membranas de cerâmica consegue-se minimizar a presença de gorduras nas
mãos dos operários durante o manuseio dos peixes (QUEMENEUR e
JAOUEN, 1991). Além disso, o material do concentrado pode ser
comercializado (BURGGRAAF e COT, 1996).
Separação de Água / Óleo
A presença da mistura de óleo e água produzida durante a
extração de petróleo causa sérios problemas tanto ao ser descartada no meio-
ambiente como ao ser reinjetada nos poços produtores de petróleo. Os
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
52
métodos convencionais utilizados na separação óleo/água não conseguem
limpar toda água com eficiência e baixo custo.
Sendo assim já existem estudos com membranas tubulares de
alumina recoberta com uma fina camada de zircônia utilizadas para separação
da mistura água/óleo. A água permeada através da membrana se enquadra
nas especificações para uso na reinjeção e no descarte (MAIA, 2006).
3.3.7.2. Reciclagem
Indústria Cerâmica
Um bom exemplo de filtração de partículas sólidas e materiais
abrasivos é a aplicação de membranas cerâmicas na limpeza de águas da
indústria cerâmica (NETZSCH, 1993). A água durante o processamento
contamina-se com argilas, sílica, esmaltes, etc. O uso da microfiltração permite
o retorno dos sólidos para o processo de produção e o reuso da água no
processo produtivo.
Pinturas e Tintas
Na produção de tintas e no processo de pintura três tipos
diferentes de uso da água são observados: como solventes nas operações de
limpeza, como matéria-prima na produção de tintas e como cortina de água
para captura de partículas de tinta durante o processo de pintura.
A aplicação de membranas cerâmicas no processamento de
tintas e pinturas é importante, pois elas retêm os pigmentos da tinta permitindo
o reuso destes pigmentos no processo e, ao mesmo tempo, produz água com
menos de 0,1% de pigmentos, permitindo assim, o reuso da água. Dependendo
da qualidade da água requerida, esta ainda pode ser tratada por osmose
inversa (BURGGRAAF e COT, 1996).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
53
Lavanderias
Nas lavanderias grandes quantidades de água e detergentes são
usados. No processo de lavagem esta solução se contamina com gorduras,
proteínas, metais, etc., causando uma alta demanda de oxigenação química e
de metais. O uso de membranas de cerâmica torna-se necessário, nestes
casos, onde existe um risco de contaminação química. A água pode ser
reciclada através da microfiltração seguida da osmose inversa.
Banhos Galvânicos
Os banhos de níquel são enxaguados com água. O enxágüe
pode conter até 150 ppm de níquel. O tratamento com membranas de cerâmica
reduz a concentração de níquel para 0,2 ppm, permitindo assim, o descarte no
meio-ambiente (BURGGRAAF e COT, 1996).
3.3.7.3. Processos de Produção
Sucos de Fruta
A aplicação de membranas cerâmicas na produção de sucos de
fruta é uma técnica bem utilizada (BHAVE, 1991 & CRULL, 1991). Uma grande
variedade de sucos de fruta, como maça, pêra, pêssego, laranja, uva, abacaxi,
kiwi, morango, cenoura e beterraba são processados com membranas de
cerâmica.
Produção de Cerveja
Durante o processo de produção, 90% da mistura é de cerveja e
10% de materiais sólidos. Utilizando-se membranas de cerâmica para
microfiltração consegue-se reter até 62% dos sólidos.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
54
Clarificação de Vinhos e Cervejas
Nestes processos, as vantagens do uso das membranas
cerâmicas em relação aos métodos clássicos de separação são as seguintes:
redução dos custos operacionais (redução na quantidade de filtros e diminuição
da perda de produto) e uma melhor clarificação.
Água Potável
A tecnologia convencional de tratamento de água geralmente
envolve coagulação com sais de ferro ou alumínio, sedimentação, filtração e
desinfecção final com cloro, ou seja, o tratamento consiste numa combinação
de filtração/desinfecção (SCHNEIDER, 2001).
No caso da remoção de material particulado e coloidal por filtros
convencionais, seja por retenção física, adsorção, sedimentação, floculação,
etc., não apresentam barreiras absolutas para as partículas. Além disso, sua
eficiência é limitada devido ao acúmulo de material no seu interior,
necessitando de ciclos de retrolavagem em períodos muito curtos.
Estudos realizados com membranas cerâmicas revestidas com
pós de óxido de titânio (TiO
2
) obtidos pelo método Pechini, para tratamento de
água, apresentaram boa seletividade, com valores de turbidez inferiores aos
exigidos pela legislação vigente (VILAR, 2004).
As membranas cerâmicas de microfiltração têm uma eficiência
muito superior na remoção de partículas em relação aos filtros convencionais
pois além de oferecerem as características já mencionadas anteriormente,
apresentam ainda as seguintes vantagens:
• não há necessidade de produtos químicos no tratamento da água;
• o mecanismo de filtração é por exclusão física das partículas maiores
que o tamanho dos poros da membrana, ou seja, não há possibilidade
de passagem de partículas maiores que o diâmetro dos poros da
membrana;
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
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55
• a qualidade da água tratada é constante, independente de variações
climáticas e da qualidade de alimentação;
• possibilidade de se aumentar as instalações sem afetar a produção
de água tratada ou a integridade da planta.
Proteínas
A maioria dos processamentos de proteínas com membranas
cerâmicas é no campo da indústria de laticínios. A produção da caseína é um
bom exemplo de processamento de proteínas com membranas cerâmicas
(SUREL e FAMELART, 1991).
Açúcar
Somente o processo de microfiltração não é suficiente para
completar a purificação do açúcar. Entretanto, a microfiltração remove quase
100% da turbidez, além de clarificar a solução em torno de 50% (DECLOUX,
MESSAOUD e LAMELOISE 1992).
Papel
Devido a crescente consciência ecológica, além da própria
legislação vigente, as indústrias de papel e celulose são forçadas a reduzir o
consumo de água. Normalmente a água utilizada neste tipo de planta industrial
é tratada biologicamente, para que o efluente se torne adequado ao descarte
ou possa ser reutilizado como água de processamento.
Um método para tratar esta água é através do processo de
separação por membranas. Os tipos de processos que podem ser aplicados
são: microfiltração, ultrafiltração e nanofiltração. Já existe alguma experiência
com utilização de membranas cerâmicas, em decorrência da facilidade de
limpeza através do processo de retrolavagem (LAITINEN et al, 2001).
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
56
3.3.7.4. Biotecnologia
Em se tratando de biotecnologia, o uso de membranas cerâmicas
para separação de enzimas e proteínas está sendo freqüentemente discutido.
Membranas cerâmicas estão sendo usadas também para separação de células
através de microfiltração (BURGGRAAF e COT, 1996).
Cultura de células ou recuperação de biomassa é um passo
importante em qualquer processo de fermentação, especialmente em
medicamentos. A filtração por membranas cerâmicas substituiu com sucesso
métodos de separação como filtros rotativos a vácuo ou centrifugação em
muitas plantas, com um significativo aumento no rendimento do produto,
redução de mão-de-obra e de custos de manutenção. Membranas cerâmicas
são também utilizadas na produção industrial para concentração de enzimas
(GEAFILTRATION, 2009).
Outras aplicações em biotecnologia incluem: purificação e
concentração de aminoácidos, purificação e recuperação de proteínas,
concentração e desmineralização do plasma sangüíneo, concentração
peptídica, produção de ácido láctico, produção de ácido butírico, produção de
ácido cítrico e produção de ácido acético (GEAFILTRATION, 2009).
3.3.8. Revisão Específica Sobre Membranas Cerâmicas
Esta revisão específica foi feita baseando-se em trabalhos feitos
por pesquisadores que vem utilizando diversas matérias-primas para
desenvolvimento de suportes e de membranas cerâmicas.
A ciência da confecção de membranas cerâmicas tem passado
por um rápido crescimento durante as duas últimas décadas (FALAMAKI,
AFARANI e AGHAIE, 2004). O interesse nas membranas cerâmicas tem
aumentado em concordância com novos processos e novas aplicações. As
mudanças rápidas na legislação ambiental no que se refere ao uso de produtos
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
57
químicos e de reagentes também fazem com que as membranas se tornem
muito atrativas (CHAN, 1991).
Falamaki, Afarani e Aghaie (2004) estudaram o mecanismo de
crescimento de poros no estágio inicial da sinterização e aplicaram estes
conhecimentos na fabricação de suporte de membranas de alumina e de
zircônia conformadas por compactação uniaxial. O efeito da temperatura de
sinterização (1200 a 1500 ºC) na densidade, porosidade, permeabilidade, fluxo
médio, tamanho de poro e tortuosidade foram analisados. Nas membranas de
alumina há uma zona de transição entre as temperaturas de 1350 e 1400 ºC,
em que a densificação sofre um processo de aceleração, alterando os valores
bruscamente neste intervalo. Os resultados mostraram que o aumento da
temperatura de sinterização provocou o seguinte: diminuição da porosidade
tanto da membrana de alumina como na de zircônia; aumento da retração de
ambas as composições; as membranas de alumina apresentaram até 1350 ºC,
permeabilidade praticamente constante, acima desta, até 1375 ºC, foi
observado um grande aumento na permeabilidade, logo após 1375 ºC, foi
observada uma forte queda. Quanto às membranas de zirconia observou-se
valores praticamente constantes.
Belouatek et al (2005) prepararam suportes inorgânicos para
tratamento de efluentes. Os suportes foram preparados a partir de uma
barbotina constituída de argila (21%), vários tipos de caulim (35%), feldspato
(20%) e quartzo (24%). Quatro diferentes suportes de membranas tubulares
foram preparados: misturando a barbotina com 1% de carvão ativado,
misturando a barbotina com 3% de alumina, depositando uma camada de
material da própria barbotina no suporte e depositando uma segunda camada
da mistura da barbotina com 3% de óxido de titânio. Todos os suportes foram
queimados em temperatura de 1150 ºC. O ensaio de fluxo foi feito em operação
de filtração em escoamento tangencial por 3 h a uma pressão de 3,5 bar. O
suporte com carvão ativado apresentou a mais alta porosidade (46,79%) em
virtude da volatização do carvão ativado durante a queima. O ensaio de fluxo
com água destilada mostrou que o fluxo variou diretamente proporcional com a
porosidade para todos os materiais estudados.
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
58
Silva (2006) desenvolveu membranas tubulares de cordierita
conformadas pelo processo de extrusão, utilizando quatro temperaturas de
sinterização diferentes (1150, 1200, 1250 e 1280 ºC), com um patamar
constante de 60 min e observou que a elevação da temperatura de
sinterização, provocou diminuição da porosidade e aumento no tamanho dos
poros das membranas. A diminuição da porosidade ocorreu porque a elevação
da temperatura de sinterização provocou, além de crescimento de grãos,
formação de fase líquida, conferindo uma maior densificação. Por outro lado, o
aumento no diâmetro médio dos poros das membranas se deveu
provavelmente ao escoamento da fase líquida formada, preenchendo os poros
menores e conseqüentemente aumentando os poros maiores. Quanto ao
ensaio de fluxo tangencial com água destilada, as membranas sinterizadas a
1280 ºC obteve o maior fluxo, seguindo-se das de 1250, 1200 e, finalmente, as
de 1150 ºC, isto porque o fluxo é mais influenciado pelo tamanho do poro do
que pela porosidade.
Saffaj et al (2006) prepararam e caracterizou diversos tipos de
suportes para membranas cerâmicas de microfiltração e ultrafiltração a partir
de argila marroquina natural. Pós de argila misturados com alguns aditivos
orgânicos foram extrudados para formar um suporte tubular poroso e, em
seguida foram queimados em várias temperaturas de sinterização. Este tubo
cerâmico poroso foi usado como suporte para preparo de membranas de
microfiltração e ultrafiltração, as quais foram usadas para filtração de eletrólitos
e de soluções com corantes. No intervalo entre 1100 e 1175 ºC ocorreu
aumento no diâmetro dos poros. Neste mesmo intervalo a porosidade diminuiu.
Já no intervalo de 1175 até 1225 ºC ocorreu fenômeno contrário, ou seja,
diminuição do diâmetro dos poros. Quanto à porosidade, continuou diminuindo.
Esta publicação não explica a causa do aumento no diâmetro dos poros no
primeiro intervalo, nem comenta sobre a queda da porosidade, explica apenas
que no segundo intervalo a diminuição do diâmetro dos poros foi causado pela
densificação do material.
França (2006) demonstrou que as membranas cerâmicas
tubulares assimétricas confeccionadas a partir de aluminas nacionais
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
59
(brasileiras) quando utilizadas no tratamento de efluentes sintéticos apresentou
elevada eficiencia com relação a turbidez, reduzindo os valores para próximos
de zero, principalmente com as membranas cerâmicas que apresentaram
menor espessura da camada ativa e maior uniformidade da alumina.
Maia (2006) preparou membranas cerâmicas tubulares
confeccionadas com alumina de diferentes tamanhos de poros e também com
camada ativa de zircônia, para separação de água/óleo (proporção de 1000 ppm
na alimentação) mostrou que em todas as membranas estudadas, o líquido
permeado apresentou concentração abaixo de 7 ppm, apresentando
especificações para uso na rejeição e no descarte.
Chen et al (2008) prepararam suportes macroporosos para
membranas utilizando caulim, aditivo Al(OH)
3
e alumina. Foram feitas várias
composições e sinterizadas em várias temperaturas para formação de mulita.
Foram estudados os efeitos das composições e das temperaturas de
sinterização na morfologia, na estrutura do poro e na porosidade. Foi
observado que o excesso de SiO
2
no caulim foi consumido rapidamente pela
adição da alumina com a formação da mulita secundária em temperaturas de
sinterização variando de 1300 a 1500 ºC. Durante o processo de queima, na
etapa de sinterização, as formas agulhadas da mulita resultaram numa boa
estrutura de poros com boa resistência mecânica. Sendo assim, o suporte é
adequado para preparação de membranas cerâmicas assimétricas. A estrutura
dos poros e a morfologia do suporte podem ser controlados pelo ajuste da
composição (50 a 72% de alumina) e pela temperatura de sinterização entre
1300 e 1550 ºC.
Dong et al (2009) desenvolveram mulita porosa para uso em
suportes de membrana cerâmica utilizando, além da mulita, uma mistura de
resíduos industriais, cinzas e bauxita, por prensagem a seco, seguida de
queima com temperaturas na etapa de sinterização variando de 1200 a 1550 ºC.
Foi observado que o diâmetro máximo dos poros e o diâmetro médio dos poros
diminuíram um pouco no intervalo entre 1200 e 1250 ºC. Isto foi atribuído,
provavelmente, a uma menor densificação no primeiro estágio da sinterização.
De 1250 a 1500 ºC, tanto o diâmetro máximo como o médio cresceram
Capítulo 3 - Revisão Bibliográfica
Fernando Almeida da Silva
60
gradualmente, já que durante a sinterização, as partículas maiores receberam
materiais e cresceram (reprecipitação). Quando a temperatura de sinterização
aumentou de 1500 para 1550 ºC, o diâmetro máximo do poro continuou
aumentando, mas o diâmetro médio dos poros diminuiu, isto porque a amostra
se tornou muito densa.
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
61
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1. Materiais
Tomando como base a composição de uma massa cerâmica
utilizada por uma indústria local, foi desenvolvida uma composição para
produzir as membranas cerâmicas, a qual é composta com as seguintes
matérias-primas:
• argila ball clay, proveniente de Alhandra, PB, cedida por uma indústria
local Æ 44%;
• caulim, proveniente do Junco do Seridó, PB, também cedido por uma
indústria local Æ 21%;
• chamote, obtido após calcinação da argila ball clay a 1300 ºC, também
cedido por uma indústria local Æ 35%.
A composição acima foi denominada como sendo composição 1.
Baseando-se na composição 1, foi desenvolvida outra formulação,
denominada de composição 2, composta com as matérias-primas abaixo:
• argila ball clay, proveniente de Alhandra, PB, coletada no Laboratório de
Processamento da Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais da
Universidade Federal de Campina Grande (UAEMa/UFCG) Æ 44%;
• caulim, proveniente do Junco do Seridó, PB, também coletado no
Laboratório de Processamento (UAEMa/UFCG) Æ 21%;
• óxido de alumínio, proveniente da Alcoa, PE, também coletado no
Laboratório de Processamento (UAEMa/UFCG) Æ 35%.
Vale salientar que a argila ball clay e o caulim, apesar de serem
da mesma região da Paraíba (Alhandra e Junco do Seridó respectivamente),
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
62
foram coletados de jazidas e em épocas diferentes, apresentando desta
maneira, características diferentes como discutidas no capitulo 5 (Resultados
e Discussão).
Comparando-se as duas composições, pode-se verificar que os
mesmos percentuais de argila ball clay e de caulim foram mantidos para
permitir trabalhabilidade na massa cerâmica, uma vez que, estes materiais
fornecem plasticidade à massa cerâmica possibilitando o processamento via
extrusão.
4.2. Metodologia
4.2.1. Caracterização da Massa Cerâmica Antes da Sinterização
As massas cerâmicas (composições 1 e 2) antes da sinterização
foram submetidas às caracterizações física e mineralógica.
4.2.1.1. Caracterização Física
A caracterização física das duas composições foi feita através da
análise granulométrica por difração de laser.
Análise Granulométrica
A distribuição granulométrica exerce papel fundamental no
processamento e nas propriedades dos diversos tipos de produtos cerâmicos.
A análise granulométrica por difração de laser utiliza o método
de dispersão de partículas em fase líquida associado com um processo de
medida óptica através de difração de laser. Neste método é combinada a
relação proporcional entre a difração do laser e a concentração e tamanho de
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
63
partículas. A análise foi determinada por via úmida com material peneirado em
peneira ABNT nº 200 (abertura 0,074 mm) e dispersas em 15 ml de água
destilada em dispersor ultra sônico por 10 min. Para facilitar a dispersão, foram
colocadas duas gotas de pirofosfato de sódio (agente dispersante). Em
seguida, este material foi colocado num sistema analisador de tamanho de
partículas por difração a laser (granulômetro), marca Cilas, modelo 1064 LD,
que possui faixa analítica de 0,04 a 500 μm e emissores de laser secundários
para uma melhor precisão na faixa do sub-micron. Este ensaio foi realizado no
Laboratório de Caracterização de Materiais da Unidade Acadêmica de
Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Campina Grande
(UAEMa/UFCG).
4.2.1.2. Caracterização Mineralógica
A caracterização mineralógica das duas massas cerâmicas, antes
da sinterização, foi feita através da análise termogravimétrica, análise química
e difração de raios X.
Análise Termogravimétrica (TG)
As análises termogravimétricas (TG) são úteis em processos de
produção de cerâmica, pois indicam as faixas de temperaturas onde ocorrem
as perdas de massas e as temperaturas em que ocorrem as transformações
endotérmicas e exotérmicas. Outro ponto importante é com relação a
interpretação das transições físicas e reações químicas que ocorrem na massa
cerâmica antes de sua sinterização.
Com estes dados determina-se a curva de queima ideal, definindo
as taxas de aquecimento e os patamares para a etapa de sinterização,
evitando assim, não conformidades como trincas e quebras nas membranas
durante o processo de queima.
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
64
As amostras das massas, composições 1 e 2, foram peneiradas
em peneira ABNT nº 200 (abertura 0,074 mm) e submetidas à análise térmica
através do Analisador Térmico, modelo RB – 3000 – 20, fabricado pela
empresa BP Engenharia, com taxa de aquecimento de 12,5 ºC/min. A
temperatura máxima utilizada foi de 1000 ºC. Os dois ensaios foram feitos no
Laboratório de Caracterização de Materiais da Unidade Acadêmica de
Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Campina Grande
(UAEMa/UFCG).
Análise Química
A análise química trata-se de uma das análises mais importantes
e de grande utilidade industrial e científica, apesar de não permitir uma
avaliação completa da composição mineralógica e das propriedades físico-
químicas.
Numa análise química clássica normalmente se determinam: teor
de umidade, perda ao fogo, matéria orgânica e óxidos presentes, tais como,
Al
2
O
3
, SiO
2
, Fe
2
O
3
, MgO, CaO, K
2
O e Na
2
O. Neste trabalho foram
determinados os teores de perda ao fogo, SiO
2
, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
, MgO, Na
2
O,
K
2
O, CaO e resíduos insolúveis.
As duas massas cerâmicas foram submetidas à análise química,
segundo técnicas clássicas, instrumentais e complexiométricas, seguindo as
normas do Laboratório de Análises de Minerais (LAM) da Universidade Federal
de Campina Grande (UFCG) (LAM, 2000).
Difração de Raios X
Para identificação das fases cristalinas nas massas cerâmicas,
composições 1 e 2, antes da sinterização, foram feitos os ensaios de difração
de raios X no Laboratório de Caracterização de Materiais da Unidade
Acadêmica de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Campina
Grande (UAEMa/UFCG).
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
65
O equipamento utilizado foi o Difratômetro de raios X modelo
XRD-6000 fabricado pela empresa Shimadzu. Os dados básicos para o
processamento destes ensaios foram os seguintes:
• radiação k
α
do Cobre;
• tensão de 40 kV;
• corrente de 30 mA;
• faixa de varredura – ângulo 2θ variando de 2 a 60º;
• velocidade de varredura de 2º/min e passo de 0,02º.
A interpretação foi efetuada por comparação com padrões
contidos no software do Powder Diffraction File 02 (PDF - 02) do International
Center For Diffraction Data (ICDD, 2003).
Para este ensaio, as amostras das massas cerâmicas, antes da
queima, foram preparadas da seguinte maneira (para cada composição):
coletou-se uma amostra da massa, em seguida, a amostra foi submetida ao
processo de secagem em estufa com temperatura controlada em 95 ºC onde
ficou durante 24 h. Após a secagem, a massa foi peneirada em peneira ABNT
nº 200 (abertura 0,074 mm) e acondicionada em porta amostra de alumínio.
4.2.2. Preparação das Membranas Cerâmicas
O processo para produção das membranas cerâmicas e sua
caracterização seguiram os passos conforme a seguir:
Preparo da Massa Cerâmica
As matérias-primas devidamente secas foram pesadas de acordo
com os percentuais, tanto da composição 1 como da composição 2,
discriminados no item 4.1 deste capítulo. O peso total de cada composição foi
fixado em 3,0 kg.
As composições 1 e 2 foram submetidas à moagem a seco em
moinho de bolas para minérios, tipo Bond, marca Marconi, modelo MA 701/21,
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
66
localizado no Laboratório de Processamento da Unidade Acadêmica de
Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Campina Grande
(UAEMa/UFCG). O tempo de moagem para cada composição foi de 6 horas a
uma rotação de 40 rpm. Após a moagem, cada composição transformou-se
numa massa homogênea, em forma de pó, sendo logo depois, submetida a
peneiramento em peneira ABNT nº 200 (abertura 0,074mm).
As massas peneiradas foram levadas até um misturador
planetário, modelo BAM.12, fabricado pela empresa METVISA – Metalúrgica
Visa Ltda, instalado no Laboratório de Processamento da Unidade Acadêmica
de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Campina Grande
(UAEMa/UFCG). Junto a cada massa, adicionou-se água e aditivos líquidos até
a obtenção de massas homogêneas com plasticidade e umidade adequadas ao
processo de extrusão. A umidade de processamento para as duas
composições ficou em 19%, medida por diferença de peso entre massa úmida
e massa seca.
Extrusão à Vácuo
A extrusão das duas massas foi realizada numa extrusora a
vácuo, modelo 051, fabricada pela empresa Verdés, instalada no Laboratório
de Processamento da Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais da
Universidade Federal de Campina Grande (UAEMa/UFCG).
O ferramental utilizado foi confeccionado em aço VC 131,
temperado. A matriz tem formato anelar, com diâmetro externo do anel medindo
10,9 mm e com um pino cilíndrico no centro, de diâmetro 7,7 mm. Sendo por isto
que as peças extrudadas adquirem formato tubular.
Secagem e Corte
As peças extrudadas de ambas as massas foram submetidas a
duas etapas de secagem. Na primeira etapa as peças foram submetidas à uma
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
67
secagem natural, durante cinco dias. Na segunda etapa foram levadas a uma
estufa com temperatura controlada em 95 ºC onde ficaram durante 24 h.
Após a secagem, as peças cerâmicas tubulares das duas
composições foram serradas com comprimento de 87 e 93 mm,
respectivamente, em virtude da retração diferenciada para as duas
composições estudadas.
Queima
As peças produzidas a partir das duas composições foram
queimadas obedecendo a quatro curvas de queima diferentes. As queimas
foram realizadas em forno elétrico fabricado pela empresa MAITEC – Materiais
Industriais Técnicos Ltda, instalado no Laboratório de Caracterização de
Materiais da Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais da Universidade
Federal de Campina Grande (UAEMa/UFCG).
A fase de aquecimento durante o processo de queima das
membranas foi feita baseando-se na curva da análise termogravimétrica (TG)
das duas massas cerâmicas. As taxas de aquecimento foram as seguintes:
2 ºC/min, a partir da temperatura ambiente até 400 ºC; 1 ºC/min, de 400 ºC até
700 ºC e 3 ºC/min, de 700 ºC até atingir as seguintes temperaturas máximas
(TM):
a) 1
a
curva – 1150 ºC;
b) 2
a
curva – 1200 ºC;
c) 3
a
curva – 1250 ºC;
d) 4
a
curva – 1300 ºC;
O tempo no patamar de sinterização de cada curva foi de 1 h.
Após o patamar da etapa de sinterização o forno foi desligado
automaticamente, resfriando-se naturalmente, por um período de 12 h,
atingindo assim, 40 ºC, quando então, as membranas foram retiradas do forno
e deixadas em repouso até a temperatura ambiente. A Figura 4.1 mostra a
curva de queima identificando a temperatura máxima de sinterização.
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
68
Todo processo de produção das membranas cerâmicas está
descrito no fluxograma da Figura 4.2.
4.2.3. Caracterização Física e Morfológica das Membranas Cerâmicas
As membranas cerâmicas das duas formulações foram
caracterizadas por análise dimensional, microscopia eletrônica de varredura
(MEV), porosimetria pelo método de intrusão de mercúrio e medidas de fluxo.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 4 8 12162024
TM
Tempo (h)
Temp
eratura
(
º
C
)
Figura 4.1. Curva de queima do processo de sinterização das
membranas cerâmicas.
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
69
Forno
Elétrico
Mistura da Massa com Aditivos
Moagem
Extrusão à Vácuo
Secagem à Temperatura Ambiente
Secagem em Estufa
Corte
Queima
Caracterização
Peneiramento
Pesagem
Figura 4.2. Fluxograma do processo de produção das
membranas cerâmicas.
Matérias–Primas
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
70
Análise Dimensional
As análises dimensionais das membranas cerâmicas,
composições 1 e 2, foram feitas utilizando um paquímetro quadrimensional,
com escala de zero a 150 mm. As medidas foram efetuadas após a fase de
secagem em estufa (antes da queima) e logo após a queima. Foram feitas
medidas do comprimento, bem como, do diâmetro externo e do diâmetro
interno das membranas.
A fórmula para cálculo da retração do comprimento e dos
diâmetros foi a seguinte:
[4.1]
Onde:
R – retração da membrana (%).
D
a
– dimensão do comprimento ou do diâmetro da membrana após a secagem
em estufa (antes da queima) (em mm).
D
q
– dimensão do comprimento ou do diâmetro da membrana após a queima
(em mm).
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
A análise microestrutural das membranas cerâmicas, bem como,
a distribuição e tamanho de poros foi realizada por meio das micrografias
obtidas pelo microscópio eletrônico de varredura LEO 1430 com as seguintes
características:
• resolução de 3,5 nm a 30 kV (tungstênio);
• faixa de magnificação: de 15 a 300000 X.
O recobrimento nas amostras de cerâmica foi feito por
pulverização de carbono pelo equipamento Emitech 550X. Este ensaio foi
realizado no Laboratório de Solidificação Rápida (LSR) do Departamento de
Engenharia Mecânica da Universidade Federal da Paraíba – UFPB.
%1001 ×
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
q
a
D
D
R
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
71
Porosimetria pelo Método de Intrusão de Mercúrio
O ensaio de porosimetria por intrusão de mercúrio é uma técnica
que permite a análise de uma ampla faixa de poros (0,003μm a 360μm), além
disso, fornece outras informações relativas à estrutura da amostra, permitindo
assim, uma caracterização física precisa. Entre os dados resultantes da
porosimetria, os principais são: porosidade percentual, volume total dos poros e
distribuição do tamanho dos poros de acordo com o volume ocupado pelo
mercurio.
O ensaio de porosimetria de mercúrio nas membranas,
composições 1 e 2, sinterizadas à 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC foi realizado no
Laboratório de Cerâmica, do Departamento de Engenharia de Materiais da
Universidade Federal de São Carlos – UFSCar. O equipamento utilizado para o
ensaio foi o Porosímetro de mercúrio, marca Aminco-USA, modelo 5000 PSI.
Medidas de Fluxo das Membranas Cerâmicas
Este ensaio foi feito por meio de fluxo com escoamento tangencial
utilizando água dessalinizada. O sistema foi montado no Laboratório de
Referência em Dessalinização (LABDES) localizado na Universidade Federal
de Campina Grande – UFCG.
Metodologia do ensaio: para cada composição, foram coletadas
amostras de membranas cerâmicas, sendo três de cada temperatura de
sinterização, 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
O sistema (ver Figura 4.3) consiste de uma bancada contendo os
seguintes componentes:
• reservatório de água com capacidade máxima para 20 litros;
• bomba centrífuga, marca Procon, série 5, 1725 rpm, pressão
máxima de 250 psi (17 bar), com vazão ajustada em 300 l/h,
acionada por motor elétrico monofásico com potência de 1/2 CV,
• um reator de aço inoxidável, com vedações de anéis “o’ring”, para
colocação da membrana cerâmica em seu interior;
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
72
• dois manômetros, com escalas de 0 a 14 Bar, para medir a pressão
do fluxo de água no sistema;
• um becker de 100 mL para coletar a água permeada pela membrana
cerâmica;
• uma balança digital, marca Gehaka, modelo BG.1000, com precisão
de 0,01 g, para pesar a água permeada pela membrana;
• um cronômetro digital para medir o intervalo de tempo da coleta do
fluxo permeado pela membrana e o tempo decorrido entre as
coletas;
A metodologia para funcionamento do sistema e coleta da água
permeada pela membrana foi a seguinte:
1. encheu-se o reservatório com água dessalinizada;
2. foi colocada uma amostra de membrana dentro do reator para ajustes no
sistema;
3. acionou-se a bomba centrífuga;
4. aguardou-se tempo necessário até o surgimento da água permeada pela
membrana;
5. através do controle da abertura das três válvulas de esfera instaladas no
sistema, foi ajustada a pressão em 5,0 bar e a vazão em 300 l/h. Estes
valores de pressão e vazão foram escolhidos em função do fluxo permeado
pelas membranas, já que os ensaios efetuados com pressões inferiores
obtiveram fluxos muito baixos, inviabilizando os dados obtidos.
6. a água permeada foi coletada utilizando o becker de 100 mL durante o
período de 60 seg;
7. decorridos 60 seg, o becker de 100 mL (com a água permeada) foi
recolhido e, em seu lugar, foi colocado um becker de 150 mL. O becker de
100 mL foi levado até a balança digital, onde foi pesado;
8. o valor do peso do conjunto becker/água permeada foi anotado numa
planilha, assim como, o tempo da coleta;
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
73
9. a água permeada foi devolvida ao reservatório do sistema e o becker de
100 mL foi submetido a secagem;
10. a coleta de nova água permeada pela membrana aconteceu exatamente
no tempo de 4 min, permanecendo até os 5 min. Para isto, o becker de 100
mL foi colocado no lugar do becker de 150 mL para uma nova coleta;
11. este procedimento de coleta de água permeada foi mantido obedecendo
aos mesmos intervalos de tempo, ou seja, entre 8 e 9 min, 12 e 13 min, e
assim sucessivamente, até que o peso das coletas do conjunto
becker/água permeada se mantivessem praticamente constante,
demonstrando que, a partir deste momento, o fluxo permaneceu
praticamente estabilizado.
A Figura 4.3 mostra uma representação esquemática do sistema
de fluxo com escoamento tangencial utilizado para medir a quantidade de água
permeada pela membrana cerâmica.
Figura 4.3. Representação esquemática do funcionamento do sistema de
fluxo com escoamento tangencial.
Legenda:
1. Bomba centrífuga
2. Reator
3. Becker para coleta de permeado
4. Reservatório
1
2
3
4
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
74
Para o ensaio de medida de fluxo, foi feita uma
impermeabilização nas duas extremidades das membranas cerâmicas
utilizando um adesivo epóxi. Este procedimento é importante, pois evita a
penetração da água pela secção transversal da membrana, o que alteraria o
resultado da análise.
Para determinação do fluxo permeado em função do tempo foi
considerada a área interna da membrana, sendo descontada a parte
impermeabilizada, conforme desenho da Figura 4.4. O cálculo da área útil das
membranas (A) foi feito conforme equação abaixo:
[4.2]
Onde:
d – diâmetro interno da membrana (m).
l – comprimento útil da membrana: l = 50 mm ou 0,05 m (Figura 4.4).
Para o cálculo do fluxo permeado através das membranas (J
0
) foi
utilizada a seguinte equação:
[4.3]
At
m
J
c
água
×
=
o
80,0
50,0 15,0
15,0
Impermeabilização
7,1
10,0
Dimensões em mm
Fi
g
ura 4.4. Princi
p
ais dimensões da membrana cerâmica.
ldA ××=
π
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
75
Onde:
m
agua
– quantidade da água permeada durante o intervalo de tempo t
c
(em kg);
t
c
– intervalo de tempo da coleta de água permeada pela membrana (em h);
A – área útil da membrana.
Os valores dos fluxos permeados foram calculados por planilhas
eletrônicas usando o programa Excel. As Tabelas de 1 a 4, em anexo, mostram
os resultados.
4.2.4. Aplicação das Membranas Cerâmicas Desenvolvidas
Para aplicação das membranas desenvolvidas neste estudo foi
escolhida amostra de água proveniente do açude Epitácio Pessoa, localizado
no Cariri paraibano, município de Boqueirão, a 166 km de João Pessoa. O
açude Epitácio Pessoa é o segundo maior reservatório da Paraíba. Sua bacia
se estende pelos municípios de Boqueirão, Cabaceiras e São Miguel.
A represa abastece as cidades de Campina Grande, Boqueirão,
Queimadas, Pocinhos, Caturité, Riacho de Santo Antônio e Barra de São
Miguel. Na época de sua construção, a capacidade de armazenamento do
açude inicialmente era de 536000000 de m³, mas, com o assoreamento, hoje
esta capacidade foi reduzida para 411686287 m³. A sua lâmina d'água
abrange uma superfície em torno de 2700 ha (AESA, 2009).
4.2.4.1. Análises da Água do Açude Epitácio Pessoa
A amostra da água do açude Epitácio Pessoa foi submetida à
análise granulométrica e análise físico-química antes da passagem pelas
membranas de cerâmica. Os resultados foram comparados e discutidos.
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
76
Análise Granulométrica
A análise granulométrica das partículas em suspensão na água
do açude foi feita por intermédio do mesmo sistema analisador de tamanho de
partículas por difração a laser, descrito no item 4.2.1.1.
Análise Físico-química
A análise físico-química da água do açude foi feita no
Laboratório de Referência em Dessalinização (LABDES) da Universidade
Federal de Campina Grande - UFCG. Os ensaios realizados foram os
seguintes:
• condutividade elétrica, μmho/cm a 25
o
C;
• potencial hidrogeniônico, pH;
• turbidez, (UTN);
• cor;
• odor;
• sabor;
• dureza em cálcio (Ca
++
), mg/L;
• dureza em magnésio (Mg
++
), mg/L;
• dureza total (CaCO
3
), mg/L;
• sódio (Na
+
), mg/L;
• potássio (K
+
), mg/L;
• ferro total, mg/L;
• alcalinidade em hidróxidos, mg/L (CaCO
3
);
• alcalinidade em carbonatos, mg/L (CaCO
3
;.
• alcalinidade em bicarbonatos, mg/L (CaCO
3
);
• alcalinidade total, mg/L (CaCO
3
);
• sulfato (SO
4
--
), mg/L;
• cloreto (Cl
-
), mg/L;
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
77
• nitrato (NO
3
-
), mg/L;
• nitrito (NO
2
-
), mg/L;
• sílica, mg/L (SiO
2
);
• ILS (Índice de Saturação de Langelier);
• total de sólidos dissolvidos secos a 180ºC, mg/L;
4.2.4.2. Medidas de Fluxo das Membranas Utilizando a Água do Açude
Epitácio Pessoa
Este ensaio foi feito por meio de fluxo com escoamento tangencial
utilizando a mesma metodologia feita para água dessalinizada, conforme já
descrito no item 4.2.3.
A água foi coletada no dia 12 de maio de 2009, na sangria do
açude, após um período chuvoso, o que provocou um aumento na turbidez da
água.
4.2.5. Fluxo Relativo das Membranas Cerâmicas
O fluxo relativo das membranas feitas a partir das duas
composições foi determinado comparando-se o fluxo das membranas em
água dessalinizada e na água do açude, conforme equação abaixo:
[4.4]
Onde:
J
R
– Fluxo relativo;
J – Fluxo utilizando a água do açude Epitácio Pessoa permeada pelas
membranas (kg/h.m
2
);
J
0
– Valor médio do fluxo permeado pelas membranas utilizando a água
dessalinizada (kg/h.m
2
), após atingir o estado estável.
0
J
J
J
R
=
Capítulo 4 – Materiais e Métodos
Fernando Almeida da Silva
78
4.2.6. Variação da Turbidez e Taxa de Rejeição das Membranas Cerâmicas
A variação da turbidez em função da aplicação das membranas,
assim como, a taxa de rejeição foram determinados em função da retenção
das partículas sólidas em suspensão presentes na água do açude Epitácio
Pessoa.
A retenção das partículas é mensurada de acordo com os
valores obtidos da turbidez da água antes e depois da passagem pelas
membranas cerâmicas. Assim sendo, o registro da diminuição da turbidez da
água permeada pelas membranas é indicativo de que os materiais que
estavam em suspensão na água foram retidos pelas membranas cerâmicas.
Com relação a taxa de rejeição das membranas cerâmicas, a
fórmula utilizada para o cálculo foi a seguinte:
[4.5]
Onde:
T – taxa de rejeição da membrana (%);
C – concentração das partículas sólidas em suspensão da água do açude
Epitácio Pessoa após permeação pelas membranas;
C
0
– concentração das partículas sólidas em suspensão da água bruta do
açude Epitácio Pessoa.
A concentração de partículas foi relacionada com a turbidez da
água por serem grandezas lineares, ou seja, o aumento da concentração de
partículas em suspensão na água eleva a turbidez na mesma proporção.
O equipamento utilizado para medir a turbidez foi o turbidímetro
portátil, marca Hach, modelo 2100P instalado no Laboratório de Referência
em Dessalinização (LABDES) da Universidade Federal de Campina Grande -
UFCG.
%1001
0
x
C
C
T
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
79
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Caracterização da Massa Cerâmica Antes da Queima
5.1.1. Caracterização Física
Análise Granulométrica
As Figuras 5.1 e 5.2 apresentam a distribuição granulométrica
das partículas das massas cerâmicas, composições 1 e 2, respectivamente,
antes da sinterização. Na Figura 5.1 observa-se que cerca de 36% da massa
acumulada tem diâmetro médio equivalente abaixo de 3 μm e cerca de 73%
da massa acumulada tem diâmetro médio equivalente abaixo de 9 μm. Já na
Figura 5.2, cerca de 36% da massa acumulada tem diâmetro médio
equivalente abaixo de 3 μm e cerca de 88% da massa acumulada tem
diâmetro médio equivalente abaixo de 20 μm.
Volume Acumulado (%)
Figura 5.1. Distribuição granulométrica da massa cerâmica,
composição 1, antes da sinterização.
Diâmetro das Partículas
(
μ
m
)
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
80
A Tabela 5.1 mostra os dados das análises da distribuição
granulométrica das massas das composições 1 e 2 antes do processo de
queima.
Tabela 5.1. Dados da distribuição granulométrica das massas cerâmicas,
antes da queima.
Composição
Diâmetro das Partículas (μm)
D 10% D 50% D 90% D Médio
1 0,72 3,80 15,80 6,21
2 0,84 4,08 14,00 6,34
Comparando-se as Figuras 5.1 e 5.2 percebe-se que a
distribuição granulométrica da composição 2 é mais estreita que a da
composição 1, isto porque o óxido de alumínio adicionado na composição 2,
Volume Acumulado (%)
Figura 5.2. Distribuição granulométrica da massa cerâmica,
composição 2, antes da sinterização.
Diâmetro das Partículas
(
μ
m
)
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
81
tem tamanho de partículas mais uniforme do que as partículas presentes no
chamote da composição 1.
Baseando-se nestes valores e sabendo que há uma relação
entre tamanho de poro e diâmetro de partícula (BURGGRAAF e COT, 1996),
observa-se que há um indicativo de que as membranas feitas a partir das
massas cerâmicas terão poros dentro da faixa de microfiltração.
5.1.2. Caracterização Mineralógica
Análise Termogravimétrica (TG)
As Figuras 5.3 e 5.4 mostram as curvas das análises
termogravimétricas feitas nas massas cerâmicas antes da queima. Na
composição 1 observa-se uma perda de massa de 0,6% até 200 ºC,
proveniente da perda de massa da água existente. De 200 à 400 ºC observa-se
uma pequena perda de massa, em torno de 1,4%, em conseqüência de perda
de matéria orgânica. No intervalo entre 400 e 700 ºC ocorre a maior perda de
massa em todo o processo, cerca de 7,7%, proveniente da perda de hidroxilas.
A partir dos 700 ºC até o final do ensaio ocorre uma perda de massa de 1,5%.
A perda total de massa foi de aproximadamente 11%.
Com relação a composição 2, houve uma perda de massa de
1,5% até 200 ºC, de 2,5% no intervalo de 200 a 400 ºC, de 10,4% entre 400 e
700 ºC, também a maior perda durante o processo, e de 4,9% a partir dos 700 ºC
até o final do ensaio. A perda de massa da composição 2 até 1000 ºC foi de
aproximadamente 17%.
Comparando-se as composições, verifica-se que ocorre menor
perda de massa na composição 1, isto porque a argila ball clay e o caulim
presentes na composição 1 têm menos matéria orgânica e hidroxilas que a
argila ball clay e caulim da composição 2, pois, como já foi dito, estes materiais
foram coletados de jazidas diferentes, com conseqüente características
mineralógicas também diferentes.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
82
-12,0
-10,0
-8,0
-6,0
-4,0
-2,0
0,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Figura 5.3. Curva TG da composição 1 antes da sinterização.
Perda de Massa (%)
Temperatura (ºC)
Curva TG da Massa Cerâmica, Composição 1
-18,0
-16,0
-14,0
-12,0
-10,0
-8,0
-6,0
-4,0
-2,0
0,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Figura 5.4. Curva TG da composição 2 antes da sinterização.
Perda de Massa (%)
Temperatura (ºC)
Curva TG da Massa Cerâmica, Composição 2
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
83
As Figuras 5.3 e 5.4 mostram ainda as derivadas das curvas TG.
Estas curvas confirmam a ocorrência das perdas mais acentuadas no intervalo
entre 400 e 700 ºC nos dois gráficos.
De acordo com este ensaio, a curva para queima das membranas
de cerâmica deverá ter aquecimento lento no intervalo entre 400 e 700 ºC para
evitar defeitos durante a etapa de aquecimento, tais como, formação de trincas,
deformações ou até mesmo quebras.
Análise Química
A Tabela 5.2 apresenta as composições químicas das massas
cerâmicas antes da queima. Com base nestes dados verifica-se que as
composições químicas têm altos teores de SiO
2
e Al
2
O
3
, típica de massas que
podem ser submetidas a altas temperaturas de queima. O pequeno percentual
de óxido de ferro (Fe
2
O
3
) presentes nas duas composições é o responsável
pela coloração clara após o processo de queima, sendo um pouco mais
acentuada na composição 2.
Tabela 5.2. Composições químicas das massas cerâmicas antes da
queima.
ÓXIDOS
Percentual em peso
Composição 1 Composição 2
Perda ao fogo (PF) 8,46 8,09
Resíduos insolúveis (RI) 4,40 3,42
Óxido de Silício (SiO
2
) 58,85 31,94
Óxido de alumínio (Al
2
O
3
) 26,00 49,19
Óxido de Ferro (Fe
2
O
3
) 1,36 2,40
Óxido de cálcio (CaO) Traços Traços
Óxido de Magnésio (MgO) 0,50 Traços
Óxido de potássio (K
2
O) 0,30 1,90
Óxido de sódio (Na
2
O) 0,06 3,00
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
84
Outro ponto a destacar são os percentuais dos óxidos de potássio
e de sódio, ambos provenientes da argila ball clay e do caulim, bem mais
elevados na composição 2 em comparação com a composição 1. A presença
destes óxidos na composição 2 favorece à formação de fase líquida na etapa
de sinterização durante o processo de queima.
Difração de Raios X
As Figuras 5.5 e 5.6 mostram os resultados das difrações de raios
X das massas cerâmicas antes do processo de queima.
Observa-se que o difratograma da composição 1 (Figura 5.5)
registra a presença de caulinita, caracterizada pelas distâncias interplanares de
7,15, 4,455, 3,57, 2,486, 2,331 e 2,243 ; de quartzo, caracterizado por
4,26, 3,343, 2,458, 2,282, 2,128, 1,817 e 1,672 ; de mica, caracterizado
por 4,11 e de óxido de alumínio, caracterizado por 2,5509, 2,38 e 1,9645 .
Com relação a composição 2 (Figura 5.6), observa-se que o
difratograma registra a presença de caulinita, caracterizada pelas distâncias
interplanares de 7,15, 4,455, 3,57, 2,486, 2,331, 2,243, e 1,985 ; de
quartzo, caracterizado por 4,34, 4,26, 3,343, 2,458, 2,282, 2,128, 1,817 e
1,672 ; de mica, caracterizado por 9,99, 4,98, 3,87 e 3,72 e de óxido de
alumínio, caracterizado por 3,4804, 2,5509, 2,38, 2,0857, 1,7402 e 1,6015 .
Comparando-se os dois difratogramas, percebe-se que os picos
de óxidos de alumínio são bem mais acentuados na massa da composição 2,
isto porque nesta composição houve o incremento deste material na
formulação.
o
A
o
A
o
A
o
A
o
A
o
A
o
A
o
A
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
85
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
5 1015202530354045505560
Legenda: Caulinita – C.
Mica – M.
Óxido de Alumínio – OA.
Quartzo – Q.
Intensidade
Ângulo 2θ
C
C
C
C
C
M
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
OA
OA
Figura 5.5. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 1, antes da
queima.
OA
C
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
5 1015202530354045505560
Legenda: Caulinita – C.
Mica – M.
Óxido de Alumínio – OA.
Quartzo – Q.
Intensidade
Ângulo 2
θ
C
C
C
C
C
M
Q
Q
Q
Q
Q
Q
OA
OA
Figura 5.6. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 2, antes da
queima.
OA
C
M
M
OA
OA
C
OA
Q
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
86
5.2. Caracterização da Massa Cerâmica Após a Queima
5.2.1. Caracterização Mineralógica
Difração de Raios X
As Figuras 5.7 e 5.8 mostram os resultados das difrações de raios
X das massas cerâmicas sinterizadas nas temperaturas de 1150, 1200, 1250 e
1300 ºC das composições 1 e 2, respectivamente.
Observa-se que o difratograma da composição 1 (Figura 5.7)
registra a presença de quartzo, caracterizado pelas distâncias interplanares de
4,26, 3,343, 2,500, 2,282, 2,128 e 1,672 ; de cristobalita, caracterizado pela
distancia interplanar de 4,0818 ; de óxido de alumínio, caracterizado por
2,5509, 2,0857, 1,9645 e 1,6015 e de mulita, caracterizado por 5,400,
3,4012, 2,700, 2,5481, 2,4292, 2,2023, 1,8642, 1,8409 e 1,8002 .
Com relação a composição 2 (Figura 5.8), observa-se que o
difratograma registra a presença de quartzo, caracterizado pelas distâncias
interplanares de 4,26, 3,343, 2,282 e 2,128 ; de óxido de alumínio,
caracterizado por 3,4804, 2,5509, 2,38, 2,0857, 1,7402 e 1,6015 e de
mulita, caracterizado por 5,400, 3,4305, 3,4012, 2,8900, 2,700, 2,5481,
2,4292 e 2,2023 .
Em ambas as Figuras observa-se que a elevação da temperatura
de sinterização nas massas cerâmicas, de 1150 até 1300 ºC provocou
aumento dos picos da mulita e diminuição dos picos do quartzo e do óxido de
alumínio. Isto decorreu em função de que o aumento da temperatura na etapa
de sinterização durante o processo de queima provoca uma reação da sílica
(SiO
2
), presente nas matérias-primas, com o óxido de alumínio (Al
2
O
3
)
formando a mulita (3Al
2
O
3
2SiO
2
). Consequentemente há uma diminuição dos
teores de quartzo e de óxido de alumínio e acréscimo no teor de mulita em
ambas as massas cerâmicas sinterizadas.
o
A
o
A
o
A
o
A
o
A
o
A
o
A
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
87
5 1015202530354045505560
Intensidade
Ângulo 2
θ
Q
Figura 5.7. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 1,
sinterizada a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Q
OA
MU
MU
MU
Q
1150ºC
1200ºC
1300ºC
1250ºC
Legenda: Mulita – MU.
Óxido de Alumínio – OA.
Quartzo – Q.
Cristobalita – CR.
Q
Q
CR
MU
MU/OA
Q
OA
MU
OA
MU
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
88
5 1015202530354045505560
Intensidade
Ângulo 2θ
Figura 5.8. Difração de raios X da massa cerâmica, composição 2,
sinterizada a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Q
OA
MU
MU
MU
Q
1150ºC
1200ºC
1300ºC
1250ºC
Legenda: Mulita – MU.
Óxido de Alumínio – OA.
Quartzo – Q.
Q
Q
MU
MU
MU/OA
OA
MU
OA
OA
OA
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
89
Comparando-se as duas composições, percebe-se picos de maior
intensidade de óxido de alumínio no difratograma da composição 2, isto porque
o percentual deste material na composição 2 é bem maior que na composição
1, fazendo com que parte deste material seja consumido na formação da
mulita.
5.3. Caracterização Física das Membranas Cerâmicas
A Figura 5.9 mostra as imagens obtidas através de câmera
fotográfica das membranas produzidas com as composições 1 e 2, nas quatro
temperaturas de sinterização.
Observou-se nas membranas cerâmicas feitas a partir da
composição 1, que o aumento da temperatura de sinterização não provocou
variações acentuadas na coloração, uma vez que, o teor de Fe
2
O
3
presente
nesta massa, que é um dos responsáveis pelo escurecimento da cerâmica, é
relativamente baixo.
Figura 5.9. Imagem das membranas de cerâmica em função das
composições e das temperaturas de sinterização.
1300ºC
1250ºC
1200ºC
1150ºC
Composição 1 Composição 2
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
90
Já com relação as membranas cerâmicas feitas com a massa da
composição 2, observou-se uma pequena variação de cor na membrana
sinterizada a 1150 ºC em relação as de 1200, 1250 e 1300 ºC, também
provocado pelo teor de Fe
2
O
3
.
As Tabelas 5.3 e 5.4 mostram dados referentes às dimensões
das membranas cerâmicas antes e depois da queima confeccionadas a partir
das composições 1 e 2.
Tabela 5.3. Dimensões e retração das membranas cerâmicas, composição
1, antes e após a sinterização à 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
TEMPERATURA
DE
SINTERIZAÇÃO
(ºC)
DIMENSÕES ANTES DA QUEIMA
(mm)
DIMENSÕES APÓS A QUEIMA
(mm)
RETRAÇÃO
(%)
COMPRI-
MENTO
DIÂMETRO
EXTERNO
DIÂMETRO
INTERNO
COMPRI-
MENTO
DIÂMETRO
EXTERNO
DIÂMETRO
INTERNO
COMPRI-
MENTO.
DIÂME-
TRO
1150 75,84 10,72 7,52 73,50 10,34 7,26 3,2 3,6
1200 75,36 10,72 7,56 72,50 10,26 7,24 3,9 4,4
1250 75,82 10,74 7,58 72,60 10,26 7,24 4,4 4,7
1300 76,00 10,74 7,56 71,98 10,06 7,08 5,6 6,7
Tabela 5.4. Dimensões e retração das membranas cerâmicas, composição
2, antes e após sinterização à 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
TEMPERATURA
DE
SINTERIZAÇÃO
(ºC)
DIMENSÕES ANTES DA QUEIMA
(mm)
DIMENSÕES APÓS A QUEIMA
(mm)
RETRAÇÃO
(%)
COMPRI-
MENTO
DIÂMETRO
EXTERNO
DIÂMETRO
INTERNO
COMPRI-
MENTO
DIÂMETRO
EXTERNO
DIÂMETRO
INTERNO
COMPRI-
MENTO.
DIÂME-
TRO
1150 76,82 10,68 7,50 71,00 9,68 6,80 8,2 10,3
1200 77,14 10,70 7,50 70,40 9,56 6,70 9,6 11,9
1250 77,16 10,70 7,50 70,18 9,46 6,66 9,9 13,0
1300 76,86 10,70 7,50 69,90 9,44 6,62 10,0 13,3
As dimensões das membranas cerâmicas antes da queima
observadas nas Tabelas 5.3 e 5.4 foram obtidas logo após a secagem em
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
91
estufa. Verifica-se que, nesta etapa, houve mais retração nas membranas
feitas com a composição 2, pois os diâmetros externos e internos são menores.
Observando-se a Tabela 5.3, composição 1 após a queima, as
membranas sofreram retração, tanto com relação ao comprimento quanto em
relação ao diâmetro, sendo mais acentuada na temperatura de sinterização de
1300 ºC.
Com relação as membranas de cerâmica feitas com a
composição 2, observa-se na Tabela 5.4 um acréscimo na retração com a
elevação da temperatura de sinterização de 1150 a 1300 ºC. Para as duas
composições, o aumento da temperatura de sinterização provocou a elevação
da retração das membranas cerâmicas.
Comparando-se as duas composições em relação a mesma
temperatura na etapa de sinterização, percebe-se que a retração da
composição 1 é menor que a retração da composição 2, isto porque os óxidos
de potássio, de sódio e de ferro presentes em maior quantidade na composição
2 favorecem a mais formação de fase líquida durante a etapa de sinterização,
provocando assim, aumento na retração.
Após o processo de queima, todas as membranas, tanto da
composição 1 como da composição 2, foram serradas com o mesmo
comprimento, ficando assim, com as dimensões definitivas de acordo com o
desenho mostrado na Figura 5.10.
Figura 5.10. Dimensões (em mm) da membrana cerâmica
após o processo de queima.
9,9
+
0
,
45
80
,
0
7,0
+
0
,
40
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
92
5.4. Caracterização Morfológica das Membranas Cerâmicas
5.4.1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
As Figuras 5.11, 5.12, 5.13 e 5.14 mostram as micrografias das
membranas cerâmicas feitas a partir da composição 1, sinterizadas nas
temperaturas de 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC respectivamente, tanto da secção
transversal quanto da secção longitudinal.
De acordo com os resultados, percebe-se a presença de poros na
secção longitudinal, todos possivelmente com dimensões na faixa de
microfiltração. Quanto a secção transversal, observa-se grande tortuosidade.
As micrografias não permitem estimar com precisão o tamanho
dos poros nas diferentes membranas, no entanto verifica-se uma diferença no
aspecto superficial das micrografias com as membranas sinterizadas em
temperaturas maiores (1300 ºC) apresentando poros maiores e em menor
quantidade.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
93
Figura 5.11. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1150 ºC.
Secção transversal
Composi
ç
ão 1 - 1150 ºC
μ
Secção longitudinal
μ
Figura 5.12. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1200 ºC.
Secção transversal
Composi
ç
ão 1 - 1200 ºC
μ
Secção longitudinal
μ
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
94
Figura 5.13. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1250 ºC.
Secção transversal
Composição 1 - 1250 ºC
Secção longitudinal
μ
μ
Figura 5.14. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 1, sinterizada a 1300 ºC.
Secção transversal
Composição 1 - 1300 ºC
μ
Secção longitudinal
μ
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
95
As Figuras 5.15, 5.16, 5.17 e 5.18 mostram as micrografias das
membranas cerâmicas feitas a partir da composição 2, sinterizadas nas
temperaturas de 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC respectivamente, tanto da secção
transversal quanto da secção longitudinal.
Também neste caso, de acordo com os resultados, percebe-se a
presença de poros presentes na secção longitudinal, todos com dimensões na
faixa de microfiltração. Com relação à secção transversal, também observa-se
grande tortuosidade.
Analogamente à composição 1, as micrografias não permitem
estimar com precisão o tamanho dos poros nas diferentes membranas, no
entanto, verifica-se uma diferença no aspecto superficial das micrografias, com
as membranas sinterizadas em temperaturas maiores (1300
o
C) apresentando
diminuição no tamanho dos poros pela maior formação de fase líquida nesta
composição.
Figura 5.15. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1150 ºC.
Secção transversal
Composição 2 - 1150 ºC
Secção longitudinal
μ
μ
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
96
Figura 5.16. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1200 ºC.
Secção transversal
Composi
ç
ão 2 - 1200 ºC
Secção longitudinal
μ
μ
Figura 5.17. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1250 ºC.
Secção transversal
Composição 2 - 1250 ºC
Secção longitudinal
μ
μ
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
97
5.4.2. Porosimetria pelo Método de Intrusão de Mercúrio
As Figuras 5.19 e 5.20 apresentam a variação do diâmetro de
poros das membranas cerâmicas em função do volume de intrusão de mercúrio
acumulado para as quatro temperaturas de sinterização efetuadas para as
composições 1 e 2, respectivamente.
Na Figura 5.19, ensaio realizado na composição 1, observa-se
que as quatro curvas apresentam a grande maioria de poros variando de 0,2 a
1,5 μm, confirmando assim que o tamanho dos poros das membranas
cerâmicas estão dentro da faixa da microfiltração.
Já na Figura 5.20, ensaio realizado na composição 2, observa-se
que o diâmetro dos poros das quatro curvas variam de 0,4 a 0,8 μm,
confirmando também que o tamanho dos poros destas membranas estão
dentro da faixa da microfiltração.
Figura 5.18. Micrografia das secções transversal e longitudinal da
membrana cerâmica, composição 2, sinterizada a 1300 ºC.
Secção transversal
Composição 2 - 1300 ºC
Secção longitudinal
μ
μ
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
98
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,010,101,0010,00
Volume de Intrusão Acumulado (cm
3
/g)
Diâmetro dos Poros (μm)
Ensaio de Porosimetria, Composição 2
Figura 5.20. Variação do diâmetro dos poros em função do volume de
intrusão de mercúrio acumulado nas membranas,
composição 2.
1300ºC
1250ºC
1200ºC
1150ºC
0,4 0,8
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,010,101,0010,00
Volume de Intrusão Acumulado (cm
3
/g)
Diâmetro dos Poros (μm)
Ensaio de Porosimetria, Composição 1
Figura 5.19. Variação do diâmetro dos poros em função do volume de
intrusão de mercúrio acumulado nas membranas,
composição 1.
1300ºC
1250ºC
1200ºC
1150ºC
0,2 1,5
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
99
Comparando-se as duas composições, percebe-se que a
variação do diâmetro dos poros das membranas feitas com a composição 2 é
bem menor que a variação do diâmetro dos poros das membranas da
composição 1, isto porque, provavelmente, a alumina presente na composição
2 tem forma e tamanho de partículas bem mais uniforme do que o chamote
presente na composição 1.
Os valores do diâmetro médio dos poros e da porosidade das
membranas cerâmicas, composições 1 e 2 e sua relação com a temperatura na
etapa de sinterização são mostrados na Tabela 5.5. Já a Figura 5.21 mostra a
relação entre a temperatura de sinterização e o diâmetro médio dos poros.
Analogamente, a Figura 5.22 mostra a relação entre temperatura de
sinterização e porosidade.
Tabela 5.5. Valores do diâmetro médio dos poros e da porosidade das
membranas de cerâmica, composições 1 e 2, sinterizadas a
1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Temperatura de
Sinterização (ºC)
Diâmetro Médio dos Poros (µm) Porosidade (%)
Composição 1 Composição 2 Composição 1 Composição 2
1150 0,58 0,62 38 30
1200 0,76 0,56 37 23
1250 0,87 0,56 35 23
1300 1,09 0,50 31 24
De acordo com a Tabela 5.5 e com a Figura 5.21, com relação a
composição 1, verifica-se que a elevação da temperatura na etapa de
sinterização provocou aumento no diâmetro médio dos poros das membranas
cerâmicas. Isto se deve provavelmente ao seguinte motivo: durante a etapa de
sinterização ocorreu formação de fase líquida. À medida que se aumenta a
temperatura de sinterização, mais fase líquida vai sendo formada. Segundo
German (1996), a formação de fase líquida leva ao crescimento de grãos e
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
100
coalescência de poros. Além disso, pode ter ocorrido solubilidade líquida no
sólido levando a um processo de aumento do tamanho dos poros.
1100
1150
1200
1250
1300
1350
0,40 0,60 0,80 1,00 1,20
Diâmetro dos Poros (μm)
Temperatura de Sinterização (ºC)
Figura 5.21. Relação entre temperatura de sinterização e diâmetro dos
poros nas membranas cerâmicas das composições 1 e 2.
Relação Entre Temperatura de Sinterização e Diâmetro dos Poros
Composição 1
Composição 2
1100
1150
1200
1250
1300
1350
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
Porosidade (%)
Temperatura de Sinterização (ºC)
Figura 5.22. Relação entre temperatura de sinterização e porosidade nas
membranas cerâmicas das composições 1 e 2.
Relação Entre Temperatura de Sinterização e Porosidade
Composição 1
Composição 2
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
101
Com relação a composição 2 (Tabela 5.5 e Figura 5.21), verifica-
se que, ao contrário da composição 1, a elevação da temperatura de
sinterização provocou diminuição no diâmetro médio dos poros das
membranas cerâmicas pelo seguinte motivo: também neste caso, ocorreu
formação de fase líquida durante a etapa de sinterização e, da mesma forma, à
medida que se aumenta a temperatura de sinterização, mais formação de fase
líquida vai acontecendo. Neste caso também se tem a contribuição dos óxidos
fundentes (em maior quantidade nesta composição) e que favorece a formação
de mais fase liquida. Com isto, aumenta a retração da membrana, levando a
uma densificação e, consequentemente, diminuição do tamanho dos poros.
Além disso, pode ter ocorrido solubilidade sólida no líquido, fenômeno que
também leva à densificação (GERMAN, 1996).
A mesma Tabela 5.5, mostra que a porosidade das membranas
cerâmicas da composição 1 está entre 31 e 38%, enquanto que para as
membranas da composição 2, a variação foi de 23 a 30%.
Observando a Figura 5.22 e comparando-se os valores de
porosidade das duas composições, observa-se que as membranas da
composição 2 são menos porosas que as da composição 1, isto porque a
presença dos óxidos de ferro, de potássio e de sódio presentes em maior
quantidade na composição 2 favoreceu a mais formação de fase líquida
durante a etapa de sinterização. A fase líquida presente provoca uma
eliminação dos pequenos poros com conseqüente diminuição da porosidade.
Outro ponto a considerar é que, ainda de acordo com a Figura
5.22, observa-se que o aumento da temperatura de sinterização também
provocou diminuição da porosidade na composição 1, além de uma tendência a
diminuição da porosidade na composição 2, já que, à medida que se eleva a
temperatura de sinterização ocorre mais formação de fase líquida e,
consequentemente, mais eliminação dos pequenos poros, levando a
diminuição da porosidade.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
102
5.4.3. Medidas de Fluxo das Membranas Cerâmicas Utilizando Água
Dessalinizada.
Para determinação dos fluxos permeados (J
o
) através das
membranas, foram utilizados os seguintes valores:
• A – área útil da membrana (m
2
) = 0,15708 x d
• d – diâmetro interno da membrana (m) após a queima, conforme
Tabelas 5.3 e 5.4.
• l – comprimento útil da membrana. De acordo com a Figura 4.4,
l = 50,0 mm ou 0,050 m.
Os resultados dos fluxos de água dessalinizada permeadas pelas
membranas cerâmicas sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC, nas
composições 1 e 2, estão mostrados nas Figuras 5.23, 5.24, 5.25 e 5.26
respectivamente. Em cada figura são mostrados dois gráficos e em cada
gráfico são observadas três curvas, representando as três amostras ensaiadas
para cada composição na respectiva temperatura de sinterização.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 102030405060
0
50
100
150
200
250
300
0 102030405060
t (min)
Composição 1
J
o
(kg/h.m
2
)
Figura 5.23. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas
membranas cerâmicas sinterizadas a 1150 ºC.
t (min)
Composição 2
J
o
(kg/h.m
2
)
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
1150 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
103
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 102030405060
0
20
40
60
80
100
120
140
0 102030405060
t (min)
Composição 1
J
o
(kg/h.m
2
)
Figura 5.24. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas
membranas cerâmicas sinterizadas a 1200 ºC.
t (min)
Composição 2
J
o
(kg/h.m
2
)
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
1200 ºC
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 102030405060
0
10
20
30
40
50
60
70
0 102030405060
t (min)
Composição 1
J
o
(kg/h.m
2
)
Figura 5.25. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas
membranas cerâmicas sinterizadas a 1250 ºC.
t (min)
Composição 2
J
o
(kg/h.m
2
)
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
1250 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
104
Os dados destas figuras podem ser vistos nas Tabelas 1, 2, 3 e 4,
em anexo.
Observou-se que, em ambas as composições, os fluxos
permeados através das membranas sinterizadas, na mesma temperatura de
queima, apresentaram resultados com uma relativa variação entre elas após a
estabilização, mostrando assim, certa homogeneidade, principalmente nas
membranas da composição 2.
O comportamento do fluxo em relação ao tempo também foi
análogo nas duas composições. Inicialmente o fluxo permeado apresentou
valores altos. Dentre as membranas obtidas com a massa da composição 1,
sinterizadas a 1150 ºC (Figura 5.23), por exemplo, o maior fluxo permeado foi
verificado na amostra 02, observando-se um valor de 1450,4 kg/h.m
2
no
primeiro minuto de operação do sistema. Em seguida o fluxo permeado foi
diminuindo ao longo do tempo, já que, com o passar do tempo a membrana em
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 102030405060
t (min)
Composição 1
J
o
(kg/h.m
2
)
Figura 5.26. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas
membranas cerâmicas sinterizadas a 1300 ºC.
0
10
20
30
40
50
60
0 102030405060
t (min)
Composição 2
J
o
(kg/h.m
2
)
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
1300 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
105
contato direto com a água, vai sendo hidratada, ocorrendo uma diminuição no
tamanho dos poros, levando assim, a uma diminuição do fluxo permeado.
Após o período de hidratação da membrana, que neste caso foi
de aproximadamente 25 minutos para a composição 1 após o início do
funcionamento do sistema, o fluxo se manteve praticamente constante. Neste
ponto, o fluxo máximo foi observado na membrana da composição 1, também
na amostra 02 (Figura 5.23), atingindo um valor de 338,0 kg/h.m
2
.
Ainda com relação a composição 1, para as membranas
sinterizadas à 1200 ºC (Figura 5.24), o maior fluxo permeado foi verificado na
amostra 01, observando-se um valor de 2725,5 kg/h.m
2
e o valor máximo após a
estabilização foi de 441,59 kg/h.m
2
observado na amostra 03.
Nas membranas sinterizadas à 1250 ºC (Figura 5.25), o maior
fluxo permeado foi verificado na amostra 01, observando-se um valor de
3903,8 kg/h.m
2
e o valor máximo após a estabilização foi de 780,3 kg/h.m
2
verificado também na amostra 02.
Finalmente, nas membranas sinterizadas à 1300 ºC (Figura 5.26),
o maior fluxo permeado foi verificado na amostra 01, observando-se um valor
de 4243,0 kg/h.m
2
e valor máximo após a estabilização foi de 1034,9 kg/h.m
2
observado também na amostra 01.
Quanto às membranas obtidas com a massa da formulação 2, o
maior fluxo permeado nas membranas sinterizadas à 1150 ºC (Figura 5.23) foi
verificado na amostra 03, observando-se um valor de 265,8 kg/h.m
2
no primeiro
minuto de operação do sistema. Já o valor máximo após a estabilização, neste
caso, cerca de 40 minutos após o início do funcionamento do sistema, foi
observado também na amostra 03, o valor de 64,2 kg/h.m
2
.
Analogamente ao que foi discutido anteriormente, para as
membranas sinterizadas à 1200 ºC (Figura 5.24), o maior fluxo permeado foi
verificado na amostra 02, observando-se um valor de 126,2 kg/h.m
2
e o valor
máximo após a estabilização foi de 42,1 kg/h.m
2
observado nas amostras 01 e
03.
Nas membranas sinterizadas à 1250 ºC (Figura 5.25), o maior
fluxo permeado foi verificado na amostra 01, observando-se um valor de 61,5
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
106
kg/h.m
2
e o valor máximo após a estabilização foi de 28,8 kg/h.m
2
verificado
nas amostras 01 e 02.
Finalmente, nas membranas sinterizadas à 1300 ºC (Figura 5.26),
o maior fluxo permeado foi verificado na amostra 02, observando-se um valor
de 55,4 kg/h.m
2
e valor máximo após a estabilização foi de 23,7 kg/h.m
2
observado também na amostra 02.
As Figuras 5.27 e 5.28 mostram os valores comparativos dos
fluxos medidos das membranas cerâmicas, composições 1 e 2,
respectivamente, sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC, sendo cada
curva, a média das três amostras.
Com relação à composição 1, de acordo com a Figura 5.27, a
membrana que obteve maior fluxo foi a sinterizada a 1300 ºC, seguindo-se da
de 1250 ºC, 1200 ºC e, finalmente a de 1150 ºC.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxos Permeados pelas Membranas, Composição 1
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.27. Valores comparativos da média dos fluxos de água
dessalinizada permeados pelas membranas cerâmicas,
composição 1.
1300 ºC
1250 ºC
1200 ºC
1150 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
107
Quanto à composição 2, de acordo com a Figura 5.28, a
membrana que obteve maior fluxo foi a sinterizada a 1150 ºC, seguindo-se da
de 1200 ºC, 1250 ºC e, finalmente a de 1300 ºC.
Conforme comentado anteriormente, todos os fluxos permeados
pelas membranas cerâmicas diminuíram ao longo do tempo até atingir um valor
constante a partir de aproximadamente 25 minutos de operação para
composição 1 e de 40 minutos para composição 2, atingindo assim, um valor
médio. Neste ponto diz-se que o sistema atingiu o “estado estável”, onde o
fluxo de água dessalinizada é tomado como referência para a membrana
estudada. Sendo assim, os valores médios dos fluxos permeados pelas
membranas cerâmicas, composições 1 e 2, sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e
1300 ºC são mostrados na Tabela 5.6.
0
40
80
120
160
200
240
280
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxos Permeados pelas Membranas, Composição 2
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.28. Valores comparativos da média dos fluxos de água
dessalinizada permeados pelas membranas cerâmicas,
composição 2.
1300 ºC
1250 ºC
1200 ºC
1150 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
108
Tabela 5.6. Valores médios dos fluxos permeados pelas membranas
cerâmicas utilizando água dessalinizada.
Temperatura
de Sinterização (ºC)
Fluxo Permeado (kg/h.m
2
)
Composição 1 Composição 2
1150 244,1 53,7
1200 290,3 36,5
1250 515,5 27,5
1300 563,6 23,2
Comparando-se os fluxos permeados pelas membranas
cerâmicas feitas com as composições 1 e 2 verifica-se que os fluxos da
composição 1 são bem superiores aos fluxos da composição 2. Isto ocorreu
devido ao tamanho dos poros, onde as membranas da composição 1 tem poros
bem maiores que os das membranas da composição 2. Dados estes
confirmados pelas análises de porosimetria de mercúrio.
As Figuras 5.29 e 5.30 mostram a relação entre fluxo permeado,
temperatura de queima na fase de sinterização e diâmetro médio de poros das
membranas cerâmicas das composições 1 e 2 respectivamente.
200
300
400
500
600
0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20
Diâmetro Médio dos Poros (
μ
m)
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.29. Relação entre fluxo permeado, diâmetro médio dos poros e
temperatura de sinterização na composição 1.
1250 ºC
1150 ºC
1200 ºC
1300 ºC
Relação Entre Fluxo, Diâmetro dos Poros e Sinterização, Composição 1
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
109
De acordo com as Figuras 5.29 e 5.30, observa-se que, para as
membranas cerâmicas feitas a partir da composição 1, o aumento da
temperatura na etapa de sinterização provocou aumento no diâmetro médio
dos poros com conseqüente aumento no fluxo permeado.
Com relação a composição 2, observa-se fenômeno contrário, ou
seja, o aumento da temperatura de sinterização provocou a diminuição no
diâmetro médio dos poros e, consequentemente, diminuição no fluxo
permeado.
As Figuras 5.31 e 5.32 mostram a relação entre fluxo permeado,
temperatura de queima na fase de sinterização e porosidade das membranas
cerâmicas das composições 1 e 2, respectivamente.
De acordo com a Figura 5.31, dados referentes a composição 1, o
aumento da temperatura na etapa de sinterização provocou diminuição da
porosidade, porém aumento do fluxo permeado, mostrando que o fluxo
permeado é mais influenciado pelo tamanho dos poros do que pela própria
porosidade. Este fenômeno pode ser analisado baseando-se na equação de
Hagen-Poiseuille (Equação 3.2, item 3.3.5.1, pág.47) onde mostra que o fluxo é
diretamente proporcional a porosidade e ao quadrado do raio do poro,
20
30
40
50
60
0,45 0,50 0,55 0,60 0,65
Diâmetro Médio dos Poros (
μ
m)
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.30. Relação entre fluxo permeado, diâmetro médio dos poros e
temperatura de sinterização na composição 2.
1250 ºC
1150 ºC
1200 ºC
1300 ºC
Relação Entre Fluxo, Diâmetro dos Poros e Sinterização, Composição 2
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
110
obviamente levando-se em consideração que os poros são interconectados e
com formatos cilíndricos.
200
300
400
500
600
30 32 34 36 38 40
Porosidade (%)
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.31. Relação entre fluxo permeado, porosidade e temperatura de
sinterização na composição 1.
1250 ºC
1150 ºC
1200 ºC
1300 ºC
Relação Entre Fluxo, Porosidade e Sinterização, Composição 1
20
30
40
50
60
22 24 26 28 30 32
Porosidade (%)
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.32. Relação entre fluxo permeado, porosidade e temperatura de
sinterização na composição 2.
1250 ºC
1150 ºC
1200 ºC
1300 ºC
Relação Entre Fluxo, Porosidade e Sinterização, Composição 2
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
111
A Figura 5.32, dados referentes à composição 2, mostrou uma
tendência a diminuição da porosidade com o aumento da temperatura na etapa
de sinterização, assim como, uma diminuição do fluxo permeado. Neste caso
observa-se também que o fluxo permeado é mais influenciado pelo tamanho
dos poros do que pela porosidade.
5.5. Aplicação das Membranas Cerâmicas
5.5.1. Análises da Água do Açude Epitácio Pessoa
Análise Granulométrica
A Tabela 5.7 mostra os dados da análise granulométrica da
água do açude Epitácio Pessoa.
Tabela 5.7. Dados da distribuição granulométrica das partículas em
suspensão na água do açude Epitácio Pessoa.
Dados
Diâmetro das partículas (μm)
D 10% 3,48
D 50% 13,35
D 90% 33,84
D Médio 16,62
A Figura 5.33 apresenta a distribuição granulométrica por
tamanho de partículas dos sólidos em suspensão encontrados na água do
Açude Epitácio Pessoa. De acordo com este ensaio verifica-se que 10% das
partículas têm diâmetro de até 3,5 μm e 66% das partículas têm diâmetro de
até 19,0 μm.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
112
Análise Físico-Química
O laudo nº 34/2009, em anexo, mostra o resultado da análise
físico-química da água do açude Epitácio Pessoa. Observa-se que a turbidez
da água está com 7,1 UTN, valor acima do máximo permissível (5 UTN). O
teor de sílica encontrado foi de 8,1 mg/l, também considerado elevado. Outro
dado a ser considerado é a cor, cujo resultado foi de 30,0 mg Pt-Co/l, valor
bem acima do normal (15,0 mg Pt-Co/l).
Dados elevados de turbidez e de cor indicam a presença de
sólidos em suspensão e dissolvidos na água. O laudo mostra ainda que esta
água não se encontra dentro dos padrões de potabilidade, no que se refere
aos parâmetros físico-químicos.
Figura 5.33. Distribuição granulométrica das partículas em
suspensão na água do açude Epitácio Pessoa.
Volume Acumulado (%)
Diâmetro das Partículas
(
μ
m
)
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
113
5.5.2. Medidas de Fluxo das Membranas Utilizando Água do Açude
Epitácio Pessoa
Os resultados dos fluxos de água do açude Epitácio Pessoa
permeados pelas membranas cerâmicas feitas com as composições 1 e 2,
sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC estão mostrados nas Figuras 5.34,
5.35, 5.36 e 5.37, respectivamente. Os valores podem ser observados nas
Tabelas 7 e 8 em anexo.
O comportamento apresentado pelos fluxos permeados pelas
membranas cerâmicas com a água do Açude Epitácio Pessoa foi análogo aos
fluxos apresentados com a água dessalinizada. A única diferença verificada foi
com relação aos valores encontrados. Na membrana sinterizada a 1150ºC,
Figura 5.34, por exemplo, o maior fluxo permeado foi de 163,3 kg/h.m
2
,
observado na amostra 3 da composição 1, no primeiro minuto de operação do
sistema. Em seguida o fluxo permeado foi diminuindo ao longo do tempo, até
se manter praticamente constante, neste caso após aproximadamente 30
minutos de funcionamento do sistema. O fluxo máximo observado nesta
mesma curva, após a estabilização foi de 59,6 kg/h.m
2
.
0
30
60
90
120
150
180
0 102030405060
Figura 5.34. Variação dos fluxos da água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1150 ºC.
Fluxos Permeados pelas Membranas Sinterizadas a 1150 ºC.
Composição 1 - amostra 2
Composição 2 - amostra 3
Fluxo (kg/h.m
2
)
Tempo (min)
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
114
0
50
100
150
200
250
300
0 102030405060
Figura 5.35. Variação dos fluxos da água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1200 ºC.
Tempo (min)
Fluxos Permeados pelas Membranas Sinterizadas a 1200 ºC.
Composição 1 - Amostra 3
Composição 2 - Amostra 1
Fluxo (kg/h.m
2
)
0
50
100
150
200
250
300
0 102030405060
Figura 5.36. Variação dos fluxos da água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1250 ºC.
Tempo (min)
Fluxos Permeados pelas Membranas Sinterizadas a 1250 ºC.
Composição 1 - Amostra 1
Composição 2 - Amostra 1
Fluxo (kg/h.m
2
)
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
115
Para a membrana sinterizada à 1200 ºC, Figura 5.35, o maior
fluxo permeado foi de 284,4 kg/h.m
2
e o valor máximo após estabilização foi de
73,9 kg/h.m
2
, valores observados na amostra 3 da composição 1. Na
membrana sinterizada à 1250 ºC, Figura 5.36, o maior fluxo permeado foi de
286,2 kg/h.m
2
e o valor máximo após a estabilização foi de 97,3 kg/h.m
2
,
também na composição 1. Finalmente, na membrana sinterizada à 1300 ºC,
Figura 5.37, composição 1, o maior fluxo permeado foi de 217,8 kg/h.m
2
e valor
máximo após a estabilização observado foi de 119,1 kg/h.m
2
.
Quanto às membranas feitas com a massa da formulação 2, o
maior fluxo permeado nas membranas sinterizadas à 1150 ºC (Figura 5.34) foi
verificado na amostra 03, observando-se um valor de 48,0 kg/h.m
2
no primeiro
minuto de operação do sistema. Já o valor máximo após a estabilização foi
observado também na amostra 03, de 20,7 kg/h.m
2
.
Analogamente ao que foi discutido anteriormente, para as
membranas sinterizadas à 1200 ºC (Figura 5.35), o maior fluxo permeado foi
0
40
80
120
160
200
240
0 102030405060
Figura 5.37. Variação dos fluxos da água do açude E. Pessoa permeados
pelas membranas cerâmicas sinterizadas a 1300 ºC.
Tempo (min)
Fluxos Permeados pelas Membranas Sinterizadas a 1300 ºC.
Composição 1 - Amostra 2
Composição 2 - Amostra 1
Fluxo (kg/h.m
2
)
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
116
verificado na amostra 01, observando-se um valor de 28,4 kg/h.m
2
e o valor
máximo após a estabilização foi de 14,8 kg/h.m
2
. Nas membranas sinterizadas
à 1250 ºC (Figura 5.36), o maior fluxo permeado foi verificado na amostra 01,
observando-se um valor de 19,6 kg/h.m
2
e o valor máximo após a estabilização
foi de 12,6 kg/h.m
2
. Finalmente, nas membranas sinterizadas à 1300 ºC (Figura
5.37), o maior fluxo permeado foi verificado na amostra 02, observando-se um
valor de 19,0 kg/h.m
2
e valor máximo após a estabilização foi de 12,1 kg/h.m
2
.
As Figuras 5.38 e 5.39 mostram os valores comparativos dos
fluxos medidos das membranas cerâmicas, composições 1 e 2, sinterizadas a
1150, 1200, 1250 e 1300 ºC, utilizando a água do açude Epitácio Pessoa.
Com relação à composição 1, de acordo com o a Figura 5.38, a
membrana que obteve maior fluxo foi a sinterizada a 1300 ºC, seguindo-se da
de 1250 ºC, 1200 ºC e, finalmente a de 1150 ºC. Verifica-se, portanto, que
também neste caso, o aumento da temperatura de sinterização das
membranas provocou um aumento no fluxo permeado.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxos Permeados pelas Membranas, Composição 1
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.38. Valores comparativos dos fluxos de água do açude Epitácio
Pessoa permeados pelas membranas cerâmicas feitas a
partir da composição 1.
1300 ºC
1250 ºC
1200 ºC
1150 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
117
Quanto à composição 2, de acordo com a Figura 5.39, a
membrana que obteve maior fluxo foi a sinterizada a 1150 ºC, seguindo-se da
de 1200 ºC, 1250 ºC e, finalmente a de 1300 ºC. Verifica-se, portanto, que o
aumento da temperatura de sinterização das membranas provocou uma
diminuição no fluxo permeado, comportamento análogo ao fluxo utilizando
água dessalinizada.
Os valores médios dos fluxos permeados pelas membranas
cerâmicas utilizando a água do açude Epitácio Pessoa são mostrados na
Tabela 5.8.
0
10
20
30
40
50
60
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxos Permeados pelas Membranas, Composição 2
Fluxo (kg/h.m
2
)
Figura 5.39. Valores comparativos dos fluxos de água do açude Epitácio
Pessoa permeados pelas membranas cerâmicas feitas a
partir da composição 2.
1300 ºC
1250 ºC
1200 ºC
1150 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
118
Tabela 5.8. Valores médios dos fluxos permeados pelas membranas
cerâmicas utilizando água do açude Epitácio Pessoa.
Temperatura de
Sinterização (ºC)
Fluxo Permeado (kg/h.m
2
)
Composição 1 Composição 2
1150 58,9 20,4
1200 73,1 14,6
1250 96,9 12,2
1300 114,4 11,7
Comparando os valores dos fluxos permeados pelas membranas,
verifica-se que as membranas da composição 1 apresentam valores bem mais
elevados, isto porque o tamanho dos poros são bem maiores que os poros das
membranas da composição 2.
A Tabela 5.9 mostra os valores médios comparativos entre os
fluxos das membranas cerâmicas utilizando água dessalinizada e utilizando
água do açude Epitácio Pessoa de ambas as composições.
Tabela 5.9. Valores comparativos entre os fluxos oriundos da água
dessalinizada e da água do açude Epitácio Pessoa.
Temp. de
Sinterização
(ºC)
Composição
Fluxo Permeado (kg/h.m
2
)
Perda de
Fluxo (%)
Água
dessalinizada
Água do açude
E. Pessoa
1150
1
244,1 58,9 75,9
1200 290,3 73,1 74,8
1250 515,5 96,9 81,2
1300 563,6 114,4 79,7
1150
2
53,7 20,4 62,0
1200 36,5 14,6 60,0
1250 27,5 12,2 55,6
1300 23,2 11,7 49,6
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
119
Observa-se que, para as duas composições, os fluxos com a
água do açude ficaram bem menores que os fluxos com água dessalinizada,
sendo mais acentuada na composição 1, isto porque as partículas em
suspensão provenientes da água do açude têm tamanhos próximos aos
diâmetros dos poros das membranas da composição 1 provocando assim, mais
obstrução dos poros. Com relação a composição 2, como os diâmetros dos
poros são bem menores que o tamanho das partículas, a obstrução dos poros
se torna menos evidenciada.
5.5.3. Fluxo Relativo das Membranas Cerâmicas (J/J
0
)
Os resultados dos fluxos relativos (fluxo da água do açude
Epitácio Pessoa em relação à água dessalinizada - J/J
o
) permeados pelas
membranas cerâmicas sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC das duas
composições estão mostrados nas Figuras 5.40, 5.41, 5.42 e 5.43,
respectivamente. Os valores podem ser observados nas Tabelas 9 e 10 em
anexo.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxo Relativo Permeado pelas Membranas
Fluxo Relativo (J/J
o
)
Figura 5.40. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1150 ºC.
Composição 1
Composição 2
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
120
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxo Relativo Permeado pelas Membranas
Fluxo Relativo (J/J
o
)
Figura 5.41. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1200 ºC.
Composição 1
Composição 2
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxo Relativo Permeado pelas Membranas
Fluxo Relativo (J/J
o
)
Figura 5.42. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1250 ºC.
Composição 1
Composição 2
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
121
As Figuras 5.44 e 5.45 mostram os valores comparativos dos
fluxos relativos permeados pelas membranas sinterizadas a 1150, 1200, 1250
e 1300 ºC das composições 1 e 2.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0 102030405060
Tempo (min)
Fluxo Relativo Permeado pelas Membranas
Fluxo Relativo (J/J
o
)
Figura 5.43. Variação dos fluxos relativos permeados pelas membranas
cerâmicas sinterizadas a 1300 ºC.
Composição 1
Composição 2
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0 102030405060
Tempo (min)
Comparação Entre os Fluxos Relativos, Composição 1
Fluxo Relativo (J/J
o
)
Figura 5.44. Valores comparativos dos fluxos relativos, composição 1.
1300 ºC
1250 ºC 1200 ºC1150 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
122
A Tabela 5.10 mostra os valores médios dos fluxos relativos
permeados nas membranas sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC após a
estabilidade, das composições 1 e 2.
Tabela 5.10. Valores médios dos fluxos relativos permeados pelas
membranas cerâmicas.
Temperatura de Sinterização
das Membranas (ºC)
Fluxo Relativo Permeado (J/J
o
)
Composição 1 Composição 2
1150 0,241 0,378
1200 0,252 0,397
1250 0,188 0,450
1300 0,205 0,505
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0 102030405060
Tempo (min)
Comparação Entre os Fluxos Relativos, Composição 2
Fluxo Relativo (J/J
o
)
Figura 5.45. Valores comparativos dos fluxos relativos, composição 2.
1300 ºC
1250 ºC 1200 ºC1150 ºC
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
123
Dentre as membranas ensaiadas da composição 1, a que obteve
maior fluxo relativo foi a sinterizada a 1200 ºC, cujo valor foi de 0,252,
seguindo-se da de 1150 ºC, 1300 ºC e, finalmente a de 1250 ºC.
Quanto as membranas da composição 2, a que obteve o maior
fluxo relativo foi a sinterizada a 1300 ºC, valor de 0,505, seguindo-se da de
1250 ºC, 1200 ºC e 1150 ºC.
Observa-se que houve mudanças no comportamento do fluxo
relativo das membranas da composição 1 em relação a composição 2, já que
há uma forte relação entre tamanho de poros, tamanho de partículas em
suspensão e fluxo relativo. Se o tamanho das partículas em suspensão for
menor ou igual ao tamanho dos poros, as membranas terão seus poros
obstruídos rapidamente, ocorrendo assim, diminuição do fluxo permeado (J) e,
consequentemente do fluxo relativo (J/J
o
).
Sendo assim, como o valor médio do fluxo relativo da membrana
sinterizada a 1250 ºC, composição 1, foi o menor dentre todas as membranas
ensaiadas, conclui-se que as partículas em suspensão da água do açude
Epitácio Pessoa têm dimensões idênticas ao tamanho dos poros desta
membrana, provocando assim, entupimento parcial e, consequentemente, a
diminuição do fluxo relativo.
No caso das partículas em suspensão serem maiores do que os
poros haverá uma retenção mais eficiente. Além do mais, as partículas que
ficarem depositadas na superfície da membrana durante o processo vão sendo
varridas pelo próprio fluxo que passa paralelamente a parede, aumentando
assim o fluxo permeado e consequentemente o valor médio do fluxo relativo.
Este é o caso da membrana sinterizada a 1300 ºC da composição 2, pois foi a
membrana que obteve maior fluxo relativo. Observa-se que esta membrana é a
que tem o menor tamanho de poro (0,50 μm) dentre todas as membranas
estudadas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
124
5.5.4. Variação da Turbidez para as Membranas Cerâmicas Estudadas
Verifica-se que, de acordo com os resultados da turbidez obtidos
através dos ensaios de fluxo, pode-se afirmar que as membranas cerâmicas,
tanto da composição 1 como da composição 2, sinterizadas a 1150, 1200, 1250
e 1300 ºC foram eficientes no tocante a retenção de partículas sólidas
presentes na água do açude Epitácio pessoa, já que a turbidez caiu de 7,1 UTN
para valores abaixo de 1,0 UTN após a permeação pelas membranas
cerâmicas. Os valores de turbidez estão na Tabela 11 em anexo.
As Figuras 5.46 e 5.47 ilustram os valores de turbidez
encontrados durante os ensaios de fluxo com as membranas cerâmicas feitas
com as composições 1 e 2. Estes resultados mostraram que grande parte do
material sólido que estava em suspensão na água do açude foi retido pelas
membranas cerâmicas.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
Figura 5.46. Turbidez da água do açude Epitácio Pessoa antes e após
permeação pelas membranas cerâmicas, composição 1,
sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Turbidez da Água do Açude Epitácio Pessoa, Composição 1
Turbidez (UTN)
Temperatura de sinterização (ºC)
1300
1250
1200
1150
Água
bruta
20 min
40 min
60 min
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
125
Com relação às membranas da composição 1, utilizando a
membrana sinterizada a 1150 ºC, por exemplo, a turbidez caiu para um valor
de 0,26 UTN nos primeiros 20 minutos de operação, diminuindo ainda mais
(0,23 UTN) após 40 minutos e 0,22 UTN após 60 minutos de operação. Na
membrana de 1200 ºC, a turbidez registrada foi de 0,46 UTN nos primeiros 20
minutos, de 0,24 UTN após os 40 minutos e de 0,23 UTN após 60 minutos de
operação. Já a membrana de 1250 ºC, os valores obtidos foram de 0,30 UTN,
0,29 UTN e 0,24 UTN. Finalmente, as membranas de 1300 ºC, os resultados
foram de 0,37 UTN, 0,29 UTN e 0,24 UTN respectivamente.
Quanto às membranas feitas com massa da composição 2, em
virtude do baixo fluxo obtido pelas membranas, só foi possível coletar uma
amostra durante os 60 minutos de ensaio. Estes resultados de turbidez
apresentados foram um pouco maiores do que os verificados pelas membranas
da composição 1, porém com valores bem satisfatórios.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
Figura 5.47. Turbidez da água do açude Epitácio Pessoa antes e após
permeação pelas membranas cerâmicas, composição 2,
sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Turbidez da Água do Açude Epitácio Pessoa, Composição 2
Turbidez (UTN)
Temperatura de sinterização (ºC)
1300
1250
1200
1150
Água
bruta
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
Fernando Almeida da Silva
126
Utilizando a membrana sinterizada a 1150 ºC, por exemplo, a
turbidez caiu para um valor de 0,63 UTN. Na membrana de 1200 ºC, a turbidez
registrada foi de 0,59 UTN, a membrana de 1250 ºC, o valor da turbidez foi de
0,60 UTN e, finalmente, a membrana de 1300 ºC, o resultado foi de 0,61 UTN.
Todos estes resultados foram obtidos após 60 minutos de operação.
5.5.5. Taxa de Rejeição das Membranas Cerâmicas
Os resultados da taxa de rejeição das membranas cerâmicas,
tanto da composição 1 quanto da composição 2 podem ser vistos na Tabela
5.11. Observa-se na composição 1 que todas as membranas ensaiadas
obtiveram resultados entre 96,62 a 96,90% ao final dos 60 minutos do
experimento.
Tabela 5.11. Valores da taxa de rejeição obtidos pelas membranas das
composições 1 e 2, sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Temperatura de
Sinterização das
Membranas (ºC)
Taxa de Rejeição (%)
Composição 1 Composição 2
1150 96,90 91,13
1200 96,76 91,69
1250 96,62 91,55
1300 96,62 91,41
Com relação às membranas feitas a partir da composição 2, as
taxas de rejeição variaram de 91,13 a 91,69%. Praticamente todo material em
suspensão presente na água do açude Epitácio Pessoa foi retido pelas
membranas cerâmicas feitas a partir das composições 1 e 2, sinterizadas a
1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Conclusões
Fernando Almeida da Silva
127
6. CONCLUSÕES
Considerando os resultados apresentados nesta pesquisa, tem-se
as seguintes conclusões:
• as caracterizações físicas das massas cerâmicas, composições 1 e 2,
antes da sinterização apresentaram diâmetros médios das partículas
de 6,21 e 6,34 μm, respectivamente, indicando a possibilidade de
formação de membranas para microfiltração;
• as análises termogravimétricas das duas massas cerâmicas antes da
sinterização apresentaram perda significativa de massa no intervalo
entre 400 e 700 ºC;
• as composições químicas das massas cerâmicas antes da
sinterização apresentaram altos teores de SiO
2
e Al
2
O
3
;
• a presença dos óxidos de ferro, de potássio e de sódio presentes em
maior quantidade na composição 2 favoreceu a mais formação de
fase líquida durante a etapa de sinterização.
• os difratogramas feitos nas massas cerâmicas, composições 1 e 2,
antes da sinterização, registraram a presença de caulinita, de quartzo,
de óxido de alumínio e de mica;
• as micrografias e a porosimetria pelo método de intrusão de mercúrio
realizado nas membranas das composições 1 e 2 mostraram a
presença de poros com dimensões na faixa de microfiltração;
• a faixa de tamanho dos poros das membranas feitas com a
composição 2 foi bem menor que a das membranas da composição 1.
Conclusões
Fernando Almeida da Silva
128
• a elevação da temperatura na etapa de sinterização provocou
aumento no diâmetro dos poros das membranas da composição 1 e
diminuição no diâmetro dos poros das membranas da composição 2;
• a elevação da temperatura na etapa de sinterização provocou
diminuição na porosidade, tanto das membranas da composição 1
como nas membranas da composição 2;
• a elevação da temperatura na etapa de sinterização das membranas
cerâmicas, provocou um aumento do fluxo permeado nas membranas
da composição 1 e diminuição do fluxo permeado nas membranas da
composição 2;
• o maior fluxo, tanto da água dessalinizada, como da água do açude
Epitácio Pessoa, foi obtido pela membrana da composição 1,
sinterizada a 1300 ºC.
• O fluxo permeado pelas membranas cerâmicas é mais influenciado
pelo tamanho dos poros do que pela porosidade.
• as membranas cerâmicas, quando aplicadas no tratamento da água
do açude Epitácio Pessoa, reduziram significantemente a turbidez da
água.
Referências
Fernando Almeida da Silva
129
7. REFERÊNCIAS
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Fernando Almeida da Silva
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Anexos
Fernando Almeida da Silva
140
ANEXOS
Anexos
Fernando Almeida da Silva
141
Tabela 1. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas, composição 1, sinterizadas a 1150 e 1200 ºC.
Horário (min)
Fluxo (kg/h.m
2
) – 1150 ºC Fluxo (kg/h.m
2
) – 1200 ºC
Inicio Final
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
0 1 1089,402 1450,443 1408,583 2725,500 1883,476 2635,811
4 5 763,942 1186,726 471,970 1478,291 495,402 1532,105
8 9 518,015 825,685 290,926 849,411 351,371 1037,231
12 13 420,168 619,526 248,543 580,870 290,171 817,756
16 17 335,925 490,807 213,485 454,778 258,516 655,260
20 21 298,775 435,342 200,404 390,940 255,351 540,246
24 25 272,612 368,890 190,462 347,150 234,247 479,046
28 29 268,426 338,018 188,892 321,299 223,168 441,588
32 33 267,380 318,658 186,800 304,416 214,199 408,350
36 37 266,333 301,391 185,753 298,085 207,868 394,105
40 41 264,240 291,449 183,660 288,589 218,420 374,585
44 45 262,147 290,926 182,614 283,840 227,389 368,254
48 49 262,670 286,740 181,567 282,785 217,365 367,199
52 53 263,717 284,647 185,753 283,313 219,475 369,309
56 57 262,147 285,693 184,183 282,258 225,278 367,199
60 61 263,194 285,170 183,660 282,785 220,530 366,671
Tabela 2. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas, composição 1, sinterizadas a 1250 e 1300 ºC.
Horário (min)
Fluxo (kg/h.m
2
) – 1250 ºC Fluxo (kg/h.m
2
) – 1300 ºC
Inicio Final
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
0 1 3903,828 3077,459 2584,388 4242,989 3340,100 3708,123
4 5 2003,496 2496,037 1238,496 3450,614 1400,739 1401,276
8 9 1467,044 1936,836 796,743 2767,144 847,632 890,550
12 13 1145,913 1512,013 615,809 2184,531 652,355 684,543
16 17 950,695 1211,515 532,220 1818,654 537,549 635,724
20 21 824,782 1010,477 465,031 1451,704 468,880 582,613
24 25 736,432 894,087 413,714 1205,998 421,670 543,987
28 29 682,998 780,342 380,384 1034,862 393,237 524,137
32 33 627,977 686,172 351,286 926,494 380,898 525,747
36 37 659,720 654,959 332,770 859,971 376,606 521,455
40 41 617,925 616,867 326,950 803,641 380,362 521,455
44 45 616,867 603,112 332,770 764,478 377,679 524,674
48 49 617,396 588,299 352,344 766,088 379,289 539,695
52 53 615,809 585,125 330,124 765,015 380,362 545,060
56 57 617,925 584,595 340,705 762,333 381,434 548,279
60 61 616,867 585,125 352,344 766,088 380,898 549,352
Anexos
Fernando Almeida da Silva
142
Tabela 3. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas, composição 2, sinterizadas a 1150 e 1200 ºC.
Horário (min)
Fluxo (kg/h.m
2
) – 1150 ºC Fluxo (kg/h.m
2
) – 1200 ºC
Inicio Final
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
0 1 259,673 260,232 265,816 121,071 126,187 97,198
4 5 220,024 221,141 223,375 112,545 113,113 91,514
8 9 198,804 183,167 172,557 103,450 98,903 79,577
12 13 170,882 150,778 127,324 84,693 81,283 67,641
16 17 148,544 131,791 110,571 71,051 69,346 62,525
20 21 124,531 115,038 96,610 61,957 59,115 58,546
24 25 105,545 98,285 83,766 56,841 52,862 52,294
28 29 89,350 87,116 77,064 51,157 47,178 48,883
32 33 75,947 70,363 70,363 48,315 44,336 45,473
36 37 68,129 68,129 67,571 45,473 40,925 45,473
40 41 60,311 63,662 64,220 42,062 40,357 42,062
44 45 56,961 59,194 60,870 39,789 38,652 39,789
48 49 54,727 54,727 54,727 39,220 38,652 39,789
52 53 51,376 53,610 54,727 39,789 38,083 40,357
56 57 51,935 53,610 55,285 39,789 38,652 39,220
60 61 51,376 54,168 54,168 39,789 38,652 39,789
Tabela 4. Fluxos de água dessalinizada permeados pelas membranas
cerâmicas, composição 2, sinterizadas a 1250 e 1300 ºC.
Horário (min)
Fluxo (kg/h.m
2
) – 1250 ºC Fluxo (kg/h.m
2
) – 1300 ºC
Inicio Final
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
0 1 61,553 58,101 60,977 49,622 55,392 43,852
4 5 56,375 56,375 58,101 40,967 47,314 39,236
8 9 52,924 54,074 54,074 39,236 46,160 36,351
12 13 47,171 48,322 47,746 36,928 42,698 35,774
16 17 40,843 41,419 41,419 34,620 40,390 33,466
20 21 37,967 38,542 37,967 34,043 35,197 31,735
24 25 34,515 35,091 35,091 31,158 33,466 30,004
28 29 32,214 32,790 29,913 29,427 30,004 26,542
32 33 28,763 29,338 26,462 27,696 28,850 25,965
36 37 28,188 28,763 25,887 25,965 26,542 25,388
40 41 28,763 28,763 25,311 23,080 23,657 23,080
44 45 28,763 28,188 25,887 22,503 23,080 23,657
48 49 27,612 28,763 25,311 23,080 23,657 23,080
52 53 28,763 28,188 25,311 23,080 23,080 23,080
56 57 28,188 28,188 25,887 22,503 23,080 23,657
60 61 28,763 28,763 25,887 23,657 23,657 23,080
Anexos
Fernando Almeida da Silva
143
Tabela 5. Média dos fluxos de água dessalinizada permeados pelas
membranas cerâmicas, composição 1, sinterizadas a 1150,
1200, 1250 e 1300 ºC.
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1150ºC
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1200ºC
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1250ºC
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1300ºC
1316,143 2414,929 3188,558 3763,737
807,546 1168,599 1912,676 2084,210
544,875 746,004 1400,208 1501,775
429,412 562,932 1091,245 1173,810
346,739 456,184 898,143 997,309
311,507 395,512 766,764 834,399
277,321 353,481 681,411 723,885
265,112 328,685 614,575 650,745
257,612 308,988 555,145 611,046
251,159 300,020 549,149 586,011
246,450 293,864 520,581 568,486
245,229 293,161 517,583 555,610
243,659 289,116 519,346 561,690
244,706 290,699 510,353 563,479
244,008 291,578 514,409 564,015
244,008 289,995 518,112 565,446
Tabela 6. Média dos fluxos de água dessalinizada permeados pelas
membranas cerâmicas, composição 2, sinterizadas a 1150,
1200, 1250 e 1300 ºC.
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1150ºC
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1200ºC
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1250ºC
Fluxo Permeado
Médio (kg/h.m
2
)
1300ºC
261,907 114,819 60,210 49,622
221,513 105,724 56,950 42,505
184,843 93,977 53,691 40,582
149,661 77,872 47,746 38,466
130,302 67,641 41,227 36,158
112,060 59,872 38,159 33,658
95,865 53,999 34,899 31,542
84,510 49,073 31,639 28,657
72,225 46,041 28,188 27,503
67,943 43,957 27,612 25,965
62,731 41,494 27,612 23,272
59,008 39,410 27,612 23,080
54,727 39,220 27,229 23,272
53,238 39,410 27,421 23,080
53,610 39,220 27,421 23,080
53,238 39,410 27,804 23,464
Anexos
Fernando Almeida da Silva
144
Tabela 7. Fluxos de água do açude Epitácio Pessoa permeados pelas
membranas cerâmicas, composição 1, sinterizadas a 1150,
1200, 1250 e 1300 ºC.
Horário (min)
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1150 ºC
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1200 ºC
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1250 ºC
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1300 ºC
Inicio Final
Amostra 2 Amostra 3 Amostra 1 Amostra 1
0 1 163,253 284,368 286,214
217,809
4 5 87,906 106,044 130,674
118,025
8 9 70,115 92,855 115,332
111,587
12 13 61,743 83,358 111,100
112,124
16 17 59,127 80,720 108,454
115,342
20 21 58,604 75,972 101,577
115,342
24 25 58,604 79,138 97,873
114,806
28 29 57,557 73,862 98,932
114,269
32 33 59,127 72,807 96,815
119,098
36 37 58,604 72,807 96,286
119,098
40 41 58,604 72,807 96,815
122,853
44 45 59,127 73,862 97,344
113,733
48 49 59,650 72,807 96,815
114,269
52 53 58,604 73,862 97,344
114,269
56 57 58,604 72,807 96,815
114,806
60 61 58,604 72,807 96,815
114,269
Tabela 8. Fluxos de água do açude Epitácio Pessoa permeados pelas
membranas cerâmicas, composição 2, sinterizadas a 1150,
1200, 1250 e 1300 ºC.
Horário (min)
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1150 ºC
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1200 ºC
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1250 ºC
Fluxo
(kg/h.m
2
)
1300 ºC
Inicio Final
Amostra 3 Amostra 1 Amostra 1 Amostra 1
0 1 48,026 28,420 19,559 19,041
4 5 39,091 18,758 14,957 15,002
8 9 30,156 14,779 13,231 12,694
12 13 25,688 14,210 12,656 12,117
16 17 22,896 14,779 13,231 12,117
20 21 21,779 14,779 13,231 12,117
24 25 20,104 14,210 12,656 12,117
28 29 20,104 14,779 12,656 12,117
32 33 20,104 14,779 12,656 12,117
36 37 20,662 14,779 12,656 12,117
40 41 20,104 14,210 12,656 11,540
44 45 20,104 14,210 12,656 12,117
48 49 20,104 14,779 12,656 12,117
52 53 20,662 14,210 12,080 11,540
56 57 20,662 14,779 12,080 11,540
60 61 20,104 14,779 12,080 11,540
Anexos
Fernando Almeida da Silva
145
Tabela 9. Fluxos relativos permeados pelas membranas cerâmicas,
composição 1, sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Temp. de Sinterização (ºC) 1150 1200 1250 1300
Fluxo Relativo (J/J
0
)
0
,
113 0
,
108 0
,
073 0
,
051
0,074 0,069 0,065 0,034
0,085 0,090 0,079 0,040
0,100 0,102 0,097 0,051
0,120 0,123 0,114 0,063
0,135 0,141 0,123 0,079
0,159 0,165 0,133 0,095
0,170 0,167 0,145 0,110
0,186 0,178 0,154 0,129
0,194 0,185 0,146 0,138
0,201 0,194 0,157 0,153
0,203 0,201 0,158 0,149
0,208 0,198 0,157 0,149
0,206 0,200 0,158 0,149
0,205 0,198 0,157 0,151
0,206 0,199 0,157 0,149
Tabela 10. Fluxos relativos permeados pelas membranas cerâmicas,
composição 2, sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Temp. de Sinterização (ºC) 1150 1200 1250 1300
Fluxo Relativo (J/J
0
)
0
,
894 0
,
723 0
,
712 0
,
820
0,728 0,477 0,544 0,646
0,562 0,376 0,482 0,547
0,478 0,361 0,461 0,522
0,426 0,376 0,482 0,522
0,406 0,376 0,482 0,522
0,374 0,361 0,461 0,522
0,374 0,376 0,461 0,522
0,374 0,376 0,461 0,522
0,385 0,376 0,461 0,522
0,374 0,361 0,461 0,497
0,374 0,361 0,461 0,522
0,374 0,376 0,461 0,522
0,385 0,361 0,440 0,497
0,385 0,376 0,440 0,497
0,374 0,376 0,440 0,497
Tabela 11. Turbidez da água do açude Epitácio Pessoa antes e após
permeação pelas membranas cerâmicas, composições 1 e 2,
sinterizadas a 1150, 1200, 1250 e 1300 ºC.
Tempo
Acumulado
(min)
Turbidez (UTN)
Água bruta 1150 ºC 1200 ºC 1250 ºC 1300 ºC
7,13
Composição 1
20 0,26 0,46 0,30 0,37
40 0,23 0,24 0,29 0,29
Composição 2
60 0,63 0,59 0,60 0,61
Anexos
Fernando Almeida da Silva
146
Análise físico-química da água do açude Epitácio Pessoa realizado pelo
Laboratório de Referência em Dessalinização – LABDES:
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
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