Membrane distillation in water treatment and retention of phenolic compounds : evaluation of bench and pilot scale | Destilação por membrana no tratamento de água e retenção de compostos fenólicos : avaliação em escala de bancada e piloto

A poluição das fontes de água por compostos fenólicos é um problema na sociedade contemporânea associado a uma expectativa de alto consumo deste recurso. A destilação com membranas por contato direto (DMCD) tem atraído a atenção para aplicações no tratamento de água e remoção de micropoluentes, devido a sua estabilidade, modularidade e robustez. Além disso, ela pode ser associada à fontes de energia alternativas como as renováveis e calor residual. Nesse contexto, buscando soluções para problemas estabelecidos, esse trabalho estudou a remoção de compostos fenólicos em água superficial pela DMCD. Para tanto, foi realizada uma pesquisa de revisão de literatura (2000-2023), que constatou a ocorrência de mais de 60 fenóis nas fontes de água de diversos países em concentrações variando de <0,065 a 179 M ng L-1. Os riscos para a saúde humana foram estimados com as concentrações reportadas na literatura, mostrando resultados preocupantes para alguns fenóis, tais como 2-nitrofenol, 2,6-diclorofenol, 3,4,5-triclorofenol, 2,3,4,6-tetraclorofenol, 2,4-dinitrofenol, 3-metilfenol, 2,4-dimetilfenol, 2,4,6-triclorofenol e pentaclorofenol. A importância do setor de tratamento de água na remoção destes micropoluentes foi ressaltada, assim como a incorporação de mais composto fenólicos nas diretrizes de água potável para proteção das populações. As possibilidades de remoção de fenóis pelas tecnologias de membranas foram elencadas, sendo destacadas as altas remoções da osmose inversa, como uma tecnologia madura e com a menor pegada ecológica estimada, e da destilação por membrana, como uma tecnologia emergente. Experimentos foram feitos utilizando a DMCD em escala de bancada para avaliar as condições operacionais de temperatura (40, 50 e 60 °C), concentração da alimentação (3, 5, 7 e 10 µg L-1), recuperação de permeado (30, 50 e 70 %) e os efeitos da incrustação na retenção dos compostos fenólicos. A tecnologia foi eficiente com >90 % de remoção dos poluentes, mesmo para operações do processo com maiores temperaturas (60 °C) e recuperação do permeado (70 %). As variações da concentração da alimentação estudadas, não afetaram a qualidade do permeado gerado e a camada de incrustação formada favoreceu a concentração dos compostos fenólicos na solução de alimentação, praticamente, sem perda de massa no processo. Porém, com a incrustação houve um alto decaimento do fluxo de permeado em um curto período de tempo, sendo indicado a necessidade de estudar estratégias de pré-tratamento da água bruta e limpeza periódica do sistema. Experimentos, também foram realizados com o objetivo de avaliar o escalonamento da unidade de DMCD de bancada (0,0042 m2) para piloto (0,3 m2). Além disso, foi elaborado uma análise econômica considerando um sistema de DMCD para o tratamento de água móvel (5,5 m3 d-1), distribuído (11 m3 d-1) e centralizado (535.680 m3 d-1). Dentre os resultados alcançados, destaca-se que, o escalonamento do sistema não afetou a remoção dos fenóis. Ainda, foi evidenciado que a DMCD pode ser economicamente atraente para aplicações no tratamento de águas superficiais em larga escala, devido a redução da amortização dos altos custos de investimentos iniciais com a maior produção de água. Os custos operacionais dos sistemas DMCD foram comparados quanto ao uso de energia solar e de fontes elétricas convencionais. Os maiores valores foram relacionados ao emprego da energia solar devido à aquisição dos painéis fotovoltaicos, que aumentaram o valor da amortização. Algumas estratégias foram levantadas para diminuir os custos do investimento inicial, como o tratamento parcial da água (sistema menor), da amortização, trabalhando com a capacidade de processo >10.600 m³ d-1, e da energia gasta no trocador de calor, diminuindo a variação da temperatura entre as correntes da DMCD (ΔT) de 35 °C para 30 °C (OPEX: 0,50 US$ m-³ - 0,19 US$ m-³). Assim, a DMCD foi profundamente estudada para aplicação no tratamento de água e remoção de compostos fenólicos, pensando em um cenário moderno, robusto e mais seguro para o setor. Os desafios, também foram listados, deixando espaço para estudos futuros sobre como melhorar a eficiência energética do processo, aumentar o fluxo de permeado, reduzir custos e gerir o concentrado gerado.

The pollution of water sources by phenolic compounds is a problem in contemporary society associated with an expectation of high consumption of this resource. Direct contact membrane distillation (DCMD) has attracted attention to applications in water treatment and removal of micropollutants, due to its stability, modularity, and robustness. In addition, it can be associated with alternative energy sources such as renewable and waste heat. In this context, seeking solutions to established problems, this work studied the removal of phenolic compounds in surface water by DCMD. Therefore, a literature review (2000-2023) was conducted, which found the occurrence of more than 60 phenols in water sources in several countries at concentrations ranging from <0.065 to 179 M ng L-1. The risks to human health were estimated with the concentrations reported in the literature, showing concerning results for some phenols, such as 2-nitrophenol, 2,6-dichlorophenol, 3,4,5-Triclorophenol, 2,3,4,6-tetrachlorophenol, 2,4-dinitrophenol, 3-methylphenol, 2,4-dimethylphenol, 2,4,6-Triclorophenol, and pentachlorophenol. The importance of the water treatment sector in the removal of these micropollutants was emphasized, as well as the incorporation of more phenolic compounds in the drinking water guidelines for the protection of populations. The possibilities of phenol removal by membrane technologies were listed, highlighting the high removals of reverse osmosis as a mature technology with the lowest estimated ecological footprint, and membrane distillation as an emerging technology. Experiments were performed using bench scale DCMD to evaluate the operating conditions of temperature (40, 50, and 60 °C), feed concentration (3, 5, 7, and 10 µg L-1), permeate recovery (30, 50, and 70 %), and the fouling effects on the retention of phenolic compounds. The technology was efficient with >90 % removal of pollutants, even for process operations with higher temperatures (60 °C) and permeate recovery (70 %). The variations of the feed concentration studied, did not affect the quality of the permeate generated and the fouling layer formed favored the concentration of phenolic compounds in the feed solution, practically, without loss of mass in the process. However, with the fouling there was a high decay of the permeate flux in a short period, being indicated the need to study strategies of pre-treatment of raw water and periodic cleaning of the system. Experiments were also performed to evaluate the scale-up of the DCMD unit from bench (0.0042 m2) to pilot (0.3 m2). Furthermore, an economic analysis was developed considering mobile (5.5 m3 d-1), distributed (11 m3 d-1), and centralized (535,680 m3 d-1) DCMD water treatment systems. Among the results achieved, it is noteworthy that the system scale-up did not affect the removal of phenols. Also, it was evidenced that DCMD can be economically attractive for applications in surface water treatment on a large scale, due to the reduction of the amortization of the high initial investment costs with the higher water production. The operating costs of DCMD systems were compared for the use of solar energy and conventional electrical sources. The highest values were related to the use of solar energy due to the acquisition of photovoltaic panels, which increased the value of the amortization. Some strategies were raised to reduce the costs of the initial investment, such as the partial treatment of water (smaller system), amortization, working with a processing capacity >10,600 m³ d-1, and the energy spent on the heat exchanger, decreasing the temperature variation between the DCMD currents (ΔT) from 35 °C to 30 °C (OPEX: 0.50 US$ m-³ - 0.19 US$ m-³). Thus, DCMD was deeply studied for application in water treatment and removal of phenolic compounds, considering a modern, robust, and safer scenario for the sector. The challenges were also listed, leaving room for future studies on how to improve process energy efficiency, increase permeate flux, reduce costs, and manage the generated concentrate.

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