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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2018.tde-19092018-074356
Documento
Autor
Nome completo
Frederico Marques Penha
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Seckler, Marcelo Martins (Presidente)
Bernardo, André
Condotta, Rodrigo
Mierzwa, José Carlos
Rocha, Sônia Denise Ferreira
Título em português
Comportamento do sistema NaCI-KCI-H2O em cristalização simultânea.
Palavras-chave em português
Cristalização
Soluções multicomponente
Resumo em português
No que diz respeito às águas residuais industriais, além da elevada frequência direta de efluentes salinos, o tratamento convencional de efluentes aquosos de diferentes tipos de indústria quase sempre resulta em uma solução contendo sais solúveis e insolúveis que podem ter qualidade suficiente para serem descartados em corpos aquosos, mas qualidade insuficiente para permitir a reutilização da água em processos industriais. Para reutilizar a água, visando o descarte zero de líquido, a cristalização se mostrou tecnicamente viável e tem sido utilizada nesta separação. Simultaneamente com a evaporação da água, os sais dissolvidos tornam-se materiais particulados que são subsequentemente separados por filtração ou centrifugação. Contudo, para atender às necessidades modernas da indústria em relação aos tratamentos com efluentes salinos, o processo de cristalização deve mostrar melhorias, especialmente devido à sua importância para atingir as metas de descarga de líquidos. Neste sentido, a cristalização simultânea representa a possibilidade de remover vários compostos em uma única operação de cristalização a partir de uma solução multicomponente. Isso significa que além da purificação da água, essa operação também pode permitir a recuperação dos compostos nos efluentes, que podem ser considerados como matéria-prima, eliminando resíduos - ou dando-lhes a destinação mais adequada. Para isso, é necessário projetar processos para separar os diferentes componentes que compõem as correntes de efluentes salinos e produzir produtos cristalinos com características morfológicas conhecidas. Dessa forma, o presente trabalho visou investigar o comportamento de sistemas ternários em cristalização, utilizando como modelo o sistema NaCl-KCl-H2O no processo de cristalização evaporativa em batelada, no intuito de avaliar a influência dos parâmetros de processo nos cristais formados e de traçar estratégias que possibilitassem o aproveitamento dos sais contidos nos efluentes. Três diferentes rotas de operação foram testadas para avaliar o comportamento dos cristais: uma inicialmente saturada apenas em NaCl, uma inicialmente saturada apenas em KCl e uma já de início saturada em ambos sais. Diferentes taxas de evaporação, tamanhos e teores de sementes foram testados. Verificou-se, de maneira geral, que o controle de dois fenômenos elementares é a chave para contornar os principais obstáculos desse processo: crescimento epitaxial e nucleação secundária. Em determinadas condições foi possível obter o produto das bateladas em distribuições bimodais, com cada pico rico em um dos sais, com purezas superiores a 90 %. Estes produtos, passíveis de separação simultânea dos cristais por composição e tamanho, foram obtidos em condições de supersaturações mais baixas e semeadura de cristais grandes de KCl e pequenos de NaCl. A partir destes resultados, considerando-se a necessidade de desenvolver técnicas de purificação de água menos intensivas em energia e mais favoráveis ao meio ambiente, um sistema de cristalização por membranas (MC) foi testado, utilizando-se o mesmo sistema modelo. O design proposto para MC possibilitou operar com este sistema por tempos superiores a 6 horas, com decaimento do fluxo em torno de 20 %. Contudo, o produto da cristalização simultânea por membranas não apresentou melhorias quanto à segregação.
Título em inglês
Behaviour of NaCI-KCI-H2O system in simultaneous crystallization.
Palavras-chave em inglês
Elementary crystallisation phenomena
Evaporative crystallisation
Membrane distillation assisted crystallisation
Multicomponent solution
Simultaneous crystallisation
Resumo em inglês
In the industrial wastewater treatment, besides high direct frequency of saline effluents, conventional treatment of aqueous effluents of different types of industry usually results in a solution containing soluble and insoluble salts that may be of sufficient quality to be disposed in aqueous bodies, but insufficient quality for water reuse in industrial processes. In order to reuse the water, aiming at zero liquid discharge, crystallization has proved to be technically feasible and has been used in this separation. At the same time, with the evaporation of the water, the dissolved salts become particulate materials which are subsequently separated by filtration or centrifugation. However, to meet the industry's modern needs for saline effluent treatments, the crystallization process should show improvements, especially because of its importance in achieving liquid discharge goals. In this sense, simultaneous crystallization represents the possibility of removing several compounds in a single crystallization step from a multicomponent solution. This means that in addition to the purification of the water, this operation can also allow the recovery of the compounds in the effluents. In addition, particulate materials can be considered as raw material, eliminating waste - or disposing the residues appropriately. To this end, research is still needed to design processes to separate the different components that compose saline effluent streams and produce crystalline products with known morphological characteristics. Thus, the present work aimed to investigate the behaviour of ternary systems in crystallization, using as model the NaCl-KCl-H2O system in the batch evaporative crystallization process, in order to evaluate the influence of the process parameters on the crystals formed and to trace strategies to enable the use of the salts contained in the effluents. Three different routes of operation were tested to evaluate the behaviour of the crystals: one initially saturated only in NaCl, one initially saturated only in KCl and one initially saturated in both salts. Different evaporation rates, seed sizes and contents were tested. It was generally verified that control of two elementary phenomena is the key to overcome the main obstacles of this process: epitaxial growth and secondary nucleation. Some experimental conditions enablesd the obtaining of the batch product in bimodal distributions, where each peak was rich in one salt, with purities higher than 90 %. These fractions of the yield, that can be simultaneously separated by composition and size, were achieve mainly at lower supersaturations and using big KCl and small NaCl seeds. From these results, considering the need to develop energy-less and more environmentally friendly water purification techniques, a membrane crystallization (MC) system was tested using the same model system. The proposed design for the MC enable the operation for over 6 hours with a flux decay around 20 %. Yet, the proposed the yield of simultaneous membrane crystallization has not shown improvements in composition segregation.
 
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Data de Publicação
2018-09-20
 
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