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MICROFILTRAÇÃO TANGENCIAL APLICADA AO TRATAMENTO DE ÁGUA
PRODUZIDA
1
Licianne Pimentel Santa Rosa, 1Laio Damascemo Silva, 2Inaura Carolina Carneiro da Rocha,2José
Jailton Marques
1
2
Discentes do curso de Engenharia Química. Universidade Federal de Sergipe.
Docentes do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de Sergipe
1,2
Cidade Universitária “Prof. José Aloísio de Campos”, Av.Marechal Rondon s/n, CEP 49100-000, Jardim
Rosa Elze, São Cristovão- SE.
e-mail: [email protected]
RESUMO - A água produzida é o efluente resultante do processamento primário do
petróleo. Uma alternativa adequada para sua disposição final é a reinjeção em poços de
petróleo, após o tratamento no nível requerido pelo processo. A filtração é uma operação
unitária de uso muito difundido na indústria, sendo o ramo da microfiltração tangencial
uma área mais recente, a qual é o objeto de estudo do presente trabalho. O sistema de
filtração utilizado consistiu num filtro composto por um meio filtrante do tipo cerâmica
porosa envolto por uma carcaça de PVC com tomadas para alimentação da suspensão e
retirada de concentrado tangenciais à superfície do meio filtrante. A operação foi
conduzida sob vácuo, sendo o filtrado retirado na direção axial do filtro. A suspensão
testada foi obtida a partir de um tratamento preliminar da água produzida por oxidação
química seguida de coagulação-floculação. O desempenho do filtro foi medido em termos
da turbidez do filtrado e da eficiência de remoção de óleos e graxas. A turbidez final média
alcançada foi 1,6 UNT, tendo sido atingido cerca de 80 % de eficiência na remoção de
óleos e graxas. O fluxo de filtrado apresentou um decaimento com tempo, porém os seus
valores ao longo da filtração foram da ordem de 10 -4 m3/(m2.s) , de modo que os
resultados motivam estudos futuros, sobretudo devido à possibilidade de regenerações
sucessivas do meio filtrante e à qualidade do efluente final.
Palavras-Chave: água produzida, filtração tangencial, reuso de efluentes.
INTRODUÇÃO
O Meio Ambiente tem sido cotidianamente
agredido por atividades antrópicas. A busca pela
melhoria na qualidade dos processos, materiais e
técnicas resulta prioritariamente da necessidade
de adequação das atividades poluentes às
exigências legais.
Nas atividades de exploração e produção
de petróleo e gás são gerados resíduos e
efluentes, dentre os quais se destaca a água
produzida juntamente com o óleo e o gás, que
consiste na combinação da água naturalmente
presente na formação geológica do reservatório
de petróleo com a água de injeção - aquela
injetada no reservatório para aumento da
produção (GABARDO, 2007).
Para Çakmakci et al (2008), o poluente
mais relevante no tocante à extração do petróleo,
particularmente pelo volume e composição
envolvidos, é a água produzida. Dados fornecidos
pela Petrobras indicam que, para cada m³ de óleo
produzido, produz-se 1,1 m³ de água salgada
(SCHUHLI, 2007).
Água Produzida
A água produzida contém geralmente alta
salinidade, partículas de óleo em suspensão,
produtos químicos adicionados nos diversos
processos de produção, metais pesados e, por
vezes, alguma radioatividade. Isto a torna um
poluente de difícil descarte, agravando-se pelo
expressivo volume envolvido (LIMA et al,1998).
O descarte inadequado deste tipo de
efluente implica em diversos efeitos nocivos ao
meio ambiente, penalidades legislativas e
elevados custos com ações corretivas e/ou
mitigadoras de impactos ambientais.
Para Garcia (1985) apud Santos et al.
(2007), uma opção eficaz para disposição da
água produzida é a sua reinjeção, uma vez que
isso aumenta a recuperação de óleo dos
reservatórios e reduz os impactos ambientais,
sobretudo à biota marinha e aos corpos
receptores. Porém, se realizada sem tratamento,
alguns inconvenientes podem ser observados
como a contaminação e/ou incompatibilidade
entre a água que está sendo injetada e a água do
aqüífero, provocando a formação de sais e
comprometendo a injetividade.
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27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
Água de Injeção
A água de injeção, ao ser comprimida no
horizonte produtor, através dos poços injetores,
tende a aumentar ou manter a produção de uma
determinada zona produtora. Esse objetivo é
atingido por meio da manutenção da pressão ou
por deslocamento do petróleo, na direção dos
poços produtores. Uma vez injetada na zona
produtora, a água de injeção deve ser a mais
inerte possível, de modo a evitar danos ao
reservatório.
Pode-se utilizar como água de injeção:
água proveniente do mar, águas superficiais ou
de aqüíferos rasos e a própria água produzida
(LIMA et al 1998).
Em função das exigências legais para
descarte, a tendência é optar por injeção da água
produzida após tratamento específico. Um
procedimento básico de tratamento de água
produzida inclui: remoção de óleo residual,
remoção de gases, remoção de sólidos
suspensos e dissolvidos e eliminação de
bactérias.
Schuhli (2007) afirma que a reinjeção em
zonas produtoras de petróleo, como método de
recuperação secundária, é uma solução ao
descarte, porém a tecnologia ainda não está
totalmente desenvolvida. A utilização de outra
água adequada ao reservatório poderia ser
vantajosa economicamente, mas ainda persistiria
o problema do descarte do efluente gerado.
Filtração
É uma operação unitária extensivamente
utilizada na indústria, e consiste na separação
sólido-fluido através de um meio filtrante
contendo material poroso (COULSON e
RICHARDSON, 1991).
De acordo com McCabe et al. (2003),
quando se força a suspensão através do leito, o
sólido da suspensão fica retido sobre o meio
filtrante, formando a denominada torta. O líquido
que se desloca permeando o leito é o filtrado.
As aplicações são bastante numerosas,
podendo-se citar desde a separação de pequenas
quantidades de materiais em laboratórios de
química, usando filtração simples ou filtração a
vácuo em funil de Büchner, até a separação de
grandes quantidades de material como na
mineração e no tratamento de água e efluentes.
(GOMIDE, 1980).
A filtração é também utilizada na separação
de misturas sólido-gás, a exemplo do
desempoeiramento de ar e de outras aplicações
similares. A finalidade da operação pode ser a
recuperação da fase sólida, da fase líquida ou de
ambas. Os principais fatores que determinam a
escolha do tipo de filtro e a definição das
condições operacionais, além do custo, são
(KYLLÖNEN et al., 2006):
• As propriedades do fluido, principalmente a
viscosidade, a densidade e a corrosividade;
• As propriedades do sólido, destacando-se o
tamanho, a forma e a granulometria das
partículas;
• A concentração de sólidos na suspensão;
• A quantidade de suspensão a ser
manipulada;
• Se o produto de interesse é o sólido ou o
fluido, ou ambos;
• Se é necessário lavar os sólidos filtrados;
• Se o filtrado pode ou não ser aquecido;
• Se há alguma forma de pré-tratamento
aplicável, a exemplo da coagulaçãofloculação.
Teoria da Filtração
A teoria da filtração foi desenvolvida nas
escolas de Frank M. Tyller (Universidade de
Houston, EUA) e Mompei Shirato (Universidade
de Nagoya, Japão). Partindo dessa teoria, surgiu
a “teoria simplificada”, base para o projeto e
análise de desempenho de filtros” (MASSARANI,
2002).
A filtração, por qualquer que seja o
equipamento, leva ao acúmulo de sólidos,
causada pela percolação do fluido. Este material
retido no meio filtrante, doravante denominado de
torta, forma uma camada cuja espessura cresce
com o tempo, aumentando gradualmente a
resistência hidráulica do filtro e afetando a taxa de
filtração (SONDHI e BHAVE, 2001.).
Segundo McCabe et al. (2003), os estágios
de formação de torta são importantes, pois: 1)
para qualquer pressão, a taxa de filtração é
máxima no início do processo uma vez que a
resistência é mínima; 2) altas taxas de filtração
podem resultar no bloqueio dos poros do filtro,
causando o aumento de resistência ao fluxo;3) a
orientação das partículas nas camadas iniciais da
torta pode influenciar significativamente toda a
estrutura do filtro.
Meios Filtrantes
Desde
1937,
pesquisas
foram
desenvolvidas com o intuito de modelar os meios
filtrantes, em particular os leitos granulares. Na
teoria, o meio filtrante é o elemento que atua
como barreira, retendo particulados. Na prática a
função do meio filtrante é servir como uma
espécie de suporte para a torta, uma vez que as
camadas iniciais da mesma é que atuam como
verdadeiro filtro (STEVENSON, 1997).
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Colmatação
Durante o processo de filtração ocorre um
fenômeno físico denominado “colmatação”,
apresentado como um decaimento de fluxo do
permeado ao longo do tempo de filtrado. Isto
ocorre devido à formação de uma camada de
sólidos na superfície do filtro podendo obstruir os
poros e reduzir sua capacidade de filtração
(SONDHI e BHAVE, 2001).
As partículas se depositam segundo três
mecanismos, principais: estreitamento dos poros,
obstrução dos poros e formação de torta. No
mecanismo de estreitamento de poros as
partículas se acumulam na parede interna dos
poros (adsorção). Quando as partículas se alojam
ao longo de toda área do poro, o mecanismo é
denominado de obstrução. Já a formação da torta
é caracterizada pelo acúmulo de sólidos na
superfície do filtro (VIDAL, 2006).
Segundo Coulson e Richardson (1991),
uma das variáveis mais importantes que
influenciam o efeito da colmatação é a
concentração de partículas. Quanto maior a
concentração, menor será a distância média entre
as partículas e a probabilidade destas
percorrerem as linhas de corrente em direção aos
poros. Assim, as partículas presentes na
suspensão tendem a se distribuir uma sobre as
outras, pela superfície, formando aglomerados
cada vez maiores.
A colmatação, entendida por muitos
pesquisadores como “fouling”, também ocorre na
filtração
tangencial,
porém
com
menos
intensidade do que na filtração convencional, a
depender das propriedades do elemento a ser
filtrado (tamanho da partícula, concentração de
partículas, pH, força iônica), da membrana
(hidrofobia, tamanho do poro, cargas) e
propriedades
hidrodinâmicas
do
processo
(velocidade do fluxo e diferença de pressão)
(KYLLÖNEN et al., 2006).
PRIMAR, modelo BCP15VC; além de acessórios
instalados nas linhas de alimentação, reciclo e
retirado do filtrado, conforme Figura 1.
Figura 1: Ilustração esquemática da filtração
tangencial a vácuo
A alimentação do sistema era feita da
seguinte maneira: a bomba centrífuga conectada
ao reservatório de efluente impulsionava a
suspensão até o orifício superior, introduzindo-o
tangencialmente no espaço anular do filtro. A
suspensão escoava em movimento helicoidal até
a saída lateral inferior. O filtrado era recolhido
numa proveta para medição da taxa de filtração.
Dessa forma, o efluente era dividido em duas
correntes: o filtrado (permeado) e o remanescente
(retentato) – que podia retornar ao reservatório e
recircular no sistema (operação em batelada) ou
ser descartado (filtração contínua).
Meio Filtrante
O meio filtrante possuía uma área de
2
filtração de 160 cm e estava alojado numa
carcaça de PVC, conforme Figura 2. A carcaça
possuía três orifícios: dois na direção tangencial
(superior: entrada da suspensão; inferior: saída
da suspensão concentrada) e um na direção axial
(para retirada do filtrado). A montagem do
sistema era feita através de flanges parafusados
que uniam as seções semi-cilíndricas vedadas
por um anel de borracha.
Nesse contexto, o presente trabalho aborda
o uso da microfiltração tangencial - um dos
campos de estudo mais recentes da filtração, com
o intuito de promover o tratamento da água
produzida, proporcionando a qualidade almejada
para sua reinjeção.
METODOLOGIA
Figura 2 – Fotografias ilustrativas do filtro
Aparelhagem
O sistema de filtração utilizado consistiu
num arranjo experimental composto por: um meio
filtrante do tipo cerâmica porosa; uma bomba
centrífuga marca Askoll, modelo 600092, com 40
W de potência, que proporcionava a alimentação
tangencial e movimento helicoidal do fluido na
carcaça do filtro; uma bomba de vácuo marca
Regeneração do meio filtrante
Após cada operação, regenerava-se o meio
filtrante através da retrolavagem com água
destilada (Figura 3). Inicialmente o filtro era
desmontado para uma limpeza superficial,
removendo-se sedimentos da carcaça e do meio
filtrante. Logo após, a água destilada, succionada
por vácuo, fluía ascendentemente pelo filtro,
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Os principais resultados experimentais
encontram-se apresentados a seguir. As Figuras
4, 5 e 6 mostram a evolução do fluxo de filtrado
ao longo do tempo, para as condições
experimentais estudadas.
J (c m ³/c m ².s )
realizando a limpeza do meio rígido. A água,
utilizada na retrolavagem do meio filtrante, era
recolhida na proveta, para então ser descartada.
1,6E-01
sst min= 250 mg/L tog min= 20mg/L
1,4E-01
sst min= 250 mg/L tog med= 100mg/L
1,2E-01
sst min = 250mg/L tog max=180mg/L
1,0E-01
8,0E-02
6,0E-02
4,0E-02
2,0E-02
Figura 3 – Esquema de retrolavagem
0,0E+00
e
0
Condições
50
100
150
200
250
300
350
400
t(s)
A água produzida usada nos testes foi sintetizada de acordo com Licona e Marques (2007),
misturando-se água destilada, cloreto de sódio,
sulfeto de sódio e petróleo. O óleo, presente na
água produzida sinterizada,era emulsificado através de mistura intensa usando-se um misturador
Black & Decker, modelo SB40. Hipoclorito de
sódio foi adicionado ao sistema para ocorrer (por
oxidação) a geração dos sólidos suspensos, seguida da coagulação-floculação do mesmo utilizando-se sulfato de alumínio e ácido sulfúrico
para correção do pH. O sobrenadante era então
coletado para ser filtrado.
Figura 4: Fluxo de filtrado versus tempo para 3
níveis de TOG; SST=250mg/L
7,0E-02
6,0E-02
5,0E-02
J(cm ³/cm ².s)
Preparo
da
Suspensão
Experimentais Estudadas
4,0E-02
3,0E-02
2,0E-02
sst med= 500mg/L tog min= 20mg/L
1,0E-02
sst med= 500mg/L tog med= 100mg/L
sst med= 500mg/L tog max= 180mg/L
O teor de sólidos suspensos totais (SST)
na alimentação do filtro foi proporcional à quantidade de enxofre coloidal determinada pela massa
de sulfeto de sódio adicionada ao meio. Esses
valores adicionados foram baseados em dados
reais da água produzida fornecidos pelo campo
petrolífero de Sergipe. Foram estudados os seguintes níveis nominais: alto (SST=1000 mg/L),
médio (SST=500 mg/L), mínimo (SST=250mg/L).
0,0E+00
0
50
100
150
200
250
300
350
400
t(s)
Figura 5: Fluxo de filtrado versus tempo para 3
níveis de TOG; SST=500mg/L
4,0E-02
sst max= 1000mg/L tog min =20mg/L
3,5E-02
sst max= 1000mg/L tog med =100mg/L
3,0E-02
J(cm ³/cm ².s)
A salinidade da água produzida foi mantida
constante em 3% em peso, proporcionada pela
quantidade de cloreto de sódio adicionada ao
sistema, de modo a torná-la similar a uma água
produzida proveniente de um campo petrolífero.
sst max= 1000mg/L tog max= 180mg/L
2,5E-02
2,0E-02
1,5E-02
1,0E-02
5,0E-03
Os teores de óleos e graxas (O&G) na alimentação foram também estudados em 3 níveis
nominais de concentração: alto (O&G=180 mg /L),
médio (O&G=100 mg /L), mínimo (O&G=20mg/L).
Todos os ensaios foram realizados sob vácuo de aproximadamente 700 mmHg.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
0,0E+00
0
200
400
600
800
1000
t(s)
Figura 6: Fluxo de filtrado versus tempo para 3
níveis de TOG; SST=1000mg/L
Observa-se a partir destas figuras que
houve redução do fluxo de filtrado em
praticamente todas as situações estudadas,
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porém tal parâmetro assumiu valores da ordem
de 10-2 cm3/(cm2.s). Verifica-se então, que quanto
maior o TOG ocorre uma diminuição no fluxo de
filtrado, ou seja, há forte influência do teor de
óleos e graxas (TOG) e a interação sinérgica
entre o TOG e o teor de sólidos suspensos (SST),
que pode ser confirmado mediante observação da
Figura 7.
Figura 7 – Efeito do TOG e SST no fluxo de
filtrado
Examinando-se a superfície de resposta da
Figura 7, nota-se que, para níveis mais altos de
SST, os fluxos de filtrados são baixos, para todos
os níveis de TOG, uma vez que as linhas de
contorno apontam claramente o decaimento do
fluxo. Provavelmente, o movimento helicoidal
contribua para intensificar a cobertura mais
efetiva da superfície do meio filtrante,
prejudicando a passagem da água.
De acordo com Yang (2007), a turbulência
na carcaça do filtro pode favorecer a formação de
uma mistura pastosa óleo-partículas sólidas. Este
concluiu
ainda,
durante
estudos
de
desemulsificação de água oleosa sintética
utilizando
coagulação
eletroquímica,
que
partículas de óleo dispersas podem colidir com
particulados
suspensos,
resultando
em
agregados oleosos de maior dimensão,
influenciando na turbidez.
A Tabela 1 apresenta os resultados de
turbidez residual média para todas as condições
experimentais. Em destaque encontra-se o valor
obtido no último ensaio que, mesmo em
circunstâncias máximas de teor de sólidos
suspensos (SST) e óleo e graxas (TOG),
alcançou apenas 0,85 unidades nefelométricas de
turbidez (NTU).
Tabela 1: Turbidez residual pelo mecanismo
tangencial
SST (mg/L)
TOG (mg/L) Turbidez (NTU)
250
20
92,0
250
100
0,40
250
180
2,30
500
20
3,10
500
100
1,40
500
180
2,60
1000
20
0,96
1000
100
0,85
É importante ressaltar que um SST de
1000 mg/L o TOG praticamente não influenciou o
fluxo de filtrado. Outro aspecto que merece
destaque dentre os dados apresentados na
Tabela 1 é o fato da turbidez residual (no filtrado)
ser maior quando o TOG assumiu valor mais
baixo. A provável explicação é a interação ente o
óleo e as partículas sólidas, formando um
agregado mais facilmente retido pelo meio
filtrante. O TOG muito baixo pode ser um fator
limitante deixando partículas livres para
atravessarem o meio poroso.
CONCLUSÃO
Os resultados obtidos foram bastante
satisfatórios, com turbidez final do efluente
geralmente inferiores a 5 NTU e eficiências de
remoção de óleos e graxas da ordem de 80 %.
Além disso, constatou-se uma grande influência
do teor de óleos e graxas (TOG) e do teor de
sólidos suspensos (SST) sobre a eficiência do
processo, inclusive exibindo um efeito de
interação muito forte entre os dois fatores. O fluxo
de filtrado apresentou um decaimento já esperado
ao longo do tempo, porém os seus valores ao
longo do ciclo de filtração são significativamente
elevados, de modo que os resultados motivam o
desenvolvimento de estudos futuros, sobretudo
devido à possibilidade de regenerações
sucessivas do meio filtrante e à qualidade do
efluente final no tocante às especificações do
efluente para reinjeção em poços de petróleo
para fins de recuperação secundária.
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