Reator EK – Tecnologia de pré-tratamento para reutilização de águas residuais [NI-TECH-2020-05]

Reator eletrodialítico melhorado para aplicações nos setores dos materiais e da irrigação e para produção hidrogénio – produção de energia limpa.

Contexto

O reator EK é capaz de regular águas residuais tratadas, para posterior utilização em materiais, como betão, evitando-se assim a utilização betão contaminado e diminuindo a necessidade de usar águas poluídas ou da torneira.

O reator EK está ajustado às diretivas mais recentes da Área Económica Europeia e do Programa Ambiental das Nações Unidas, que apelam a ações para aumentar a eficiência da utilização da água em todos os setores.

De facto, todos os continentes são afetados pela escassez de água limpa, sendo este classificado como o maior risco global, em termos dos seus potenciais efeitos na próxima década, pelo World Economic Forum (2015). Esta escassez deve-se, principalmente, às alterações climáticas, ao rápido crescimento populacional e ao aumento das urbanizações. Hoje em dia cerca de metade da população mundial (3,6 mil milhões) vive em regiões em que há escassez de água em pelo menos um mês por ano. De acordo com as Nações Unidas, este número pode aumentar para 4,8 a 5,7 mil milhões até 2050, pois prevê-se que duas em cada três pessoas vivam em cidades ou em centros urbanos. Neste contexto é importante mencionar que a grande maioria de água limpa não é usada para beber. A utilização de água para a indústria do betão representa 9% do consumo industrial de água e 1,7% do consumo global. Os dois materiais mais utilizados em todo o mundo são o betão, depois da água. Numa mistura de betão, a proporção água-cimento é aproximadamente 0.45 para 0.60. Por outras palavras, mais de 17 mil milhões de m³ de água doce são usados anualmente para produção de betão.

Atualmente, a água doce é o único tipo de água que cumpre os padrões da indústria, por motivos de qualidade e segurança. De facto, se for utilizada água poluída, a qualidade do betão seria significativamente mais baixa, levando a problemas estruturais que representariam entre 5% a 9,4% do custo total da produção de betão. Contudo, com base nas razões apresentada acima, o abastecimento de água canalizada é muito limitado em regiões secas como no Médio-Oriente e em África. Por este motivo, as empresas de construção não têm outra opção se não usar água parcialmente poluída.

A Tecnologia

O reator apresentado – reator EK (Figura 1), propõe-se a reduzir o consumo de água limpa, por exemplo, na produção de betão, substituindo 100% da água usada por águas residuais tratadas. A tecnologia da NOVA consiste num reator de extração eletrodialítico adequado a uma grande variedade de poluentes (tais como metais pesados, sais e poluentes orgânicos) e produz hidrogénio limpo.

O reator EK da NOVA permite o controlo do pH nas diferentes fases do tratamento, dependendo do objetivo final. Portanto, na primeira fase, o pH diminui com a acidificação das matrizes aquosas. Numa segunda fase, depois de algumas horas de tratamento, o pH fica em condições alcalinas, atingindo condições adequadas para as matrizes finais serem, por exemplo, utilizadas no betão (Figura 2). Estes resultados aumentarão a possibilidade de se ter uma fonte aquosa de grande qualidade para diferentes fins. Portanto, é possível remover os compostos carregados positiva e negativamente das águas poluídas, avaliando-se, também, as diferenças no pH (promovidas pela influência dos elétrodos que estão em contacto direto com a amostra a ser tratada – eletrólise da água). Esta eletrólise da água promove a oxidação dos poluentes orgânicos, contribuindo, também para a eletro-degradação. É atingida uma combinação otimizada:

• Meio ácido (ex. remoção de Ca2+, Zn2+);
• Meio alcalino – remoção de sais (Cl-), elétrodos em contacto com as matrizes contaminadas – degradação de compostos orgânicos.

Outra componente importante do reator são as membranas: membranas de trocas de catiões e aniões. A superfície atrai iões dissolvidos com a carga oposta (contra-iões) através dos poros das membranas. Os contra-iões serão transportados através da membrana devido à corrente elétrica e os co-iões (iões com a mesma carga da superfície da membrana) serão rejeitados. As membranas permitem uma regulação do fluxo dos iões, e assim selecionam iões que atingem os compartimentos do elétrodo e mantém os poluentes separados da amostra a ser tratada).

O reator EK:

• É de tamanho flexível e não há adição de químicos durante o processo;
• Usa materiais não destrutivos;
• Consegue remover uma grande quantidade de poluentes ao mesmo tempo, permitindo custos mais baixos nas atualizações do reator;
• Dependendo na fonte do efluente, o material pode mudar (1) de cor (cinzento para castanho-claro) ou (2) textura (áspera para mais macia).

Foram realizados testes às características finais da matriz e foi estudado, num reator à escala laboratorial, o desempenho dos materiais:

Características finais da matriz:

• Presença de sal: Remoção de 75% de cloreto de sódio; Remoção de 72% de sulfatos, em 2h 62% do cloreto de sódio estava no compartimento central;
• Degradação de triclosan, dos seus metabolitos e derivados: 92% ficando abaixo do limite de deteção;
• pH da matriz final a ser utilizada: 9-10;
• Parâmetros legais: Remoção de 93% de COD 5; Remoção de 52% de COD.

Desempenho dos materiais feitos com 100% de água residual eletro-tratada

• Testes de compressão: argamassa com 7 dias (39MPa); argamassa com 14 dias (47 MPa); argamassa com 28 dias (51 MPa);
• Tempo de fixação: tempo igual ou mais rápido 20 minutos, comparativamente com a referência (feita com água canalizada);
• Facilidade de manuseamento: aumento do abaixamento em 25 mm comparativamente com a referência (feito com água canalizada);
• pH do material: igual ao da referência;
• Todos os parâmetros dos materiais estão de acordo com EN 1015-3, EN-196, EN 206-1 e NBR 15900/2009.

Adicionalmente, durante o processo de auto-produção de hidrogénio teve uma taxa de produção 60% mais rápida do que a dos reatores convencionais de três compartimentos e apresentou pureza média de 70% a 90%, dependendo das características iniciais da matriz.

Mais detalhes

Magro C, Paz-Garcia JM, Mateus EP, Ribeiro AB (2019) Sustainability of construction materials: electrodialytic technology as a tool for mortars production, Journal of Hazardous Materials, 363, pp 421-427, DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.10.010. (estudos preliminares com um reator convencional).

Estado de desenvolvimento

TRL 4 – tecnologia validada em laboratório.

Foram realizados testes bem-sucedidos às características da matriz final e ao desempenho dos materiais. A remoção de contaminantes pelo reator EK: sais, metais pesados e triclosan e seus metabólitos, como contaminantes orgânicos moleculares emergentes. A proporção de remoção/degradação foi aproximadamente 40%-90%.

Relativamente ao desempenho dos materiais, foi concluído que os materiais têm características semelhantes ou melhores quando comparados com os materiais de referência nos parâmetros de: força compressiva e elástica (tempo de cura de 7, 14 e 28 dias), tempo de consolidação, facilidade de manuseamento, concentração de sais (cloretos e sulfatos) e concentração de COD e BOD5.

Benefícios

• Diminuição do volume de descarga de águas poluídas;
• Estações de tratamento de águas residuais desde processo de resíduos finais até produção de recursos;
• Reutilização mais segura de águas residuais;
• Cumpre as normas regulamentares padrões das indústrias;
• Evita o problema do betão contaminado;
• Ajuste do tratamento das águas contaminadas, ex. controlo do pH e da quantidade de sais;
• Auto-produção de hidrogénio limpo para ser usado e armazenado;
• Soluções acessíveis adaptáveis a qualquer indústria.

Comparação entre esta inovação e as soluções existentes:

• Reconstrução de reatores patenteados para um fim específico – pré-tratamento de águas residuais para serem reutilizadas na produção de materiais de construção, por exemplo;
• Evitam-se algumas das desvantagens do processo eletrodialítico;
• Aproveita-se a produção continuada de hidrogénio durante o processo e a eletro-degradação dos poluentes orgânicos;
• As características da matriz aquosa final são parecidas com as da água canalizada;
• Melhoria na qualidade final do material produzido.

Aplicações

O projeto apresentado aumenta a possibilidade de se usar água residual como uma fonte de qualidade, parecida com a água potável que é usada na produção de materiais de construção ou para rega.

Oportunidades

• Co-desenvolvimento com parceiro industrial para scale-up do Reator
• Licenciamento da tecnologia

Propriedade Intelectual

• Pedido de patente submetido (WO2020188370).

NOVA Inventors

Cátia Joana Costa Magro

Alexandra B. Ribeiro

Eduardo Manuel Hipólito Pires Mateus

Paula R. Guedes