As membranas de ultrafiltração (UF), com excelente precisão de separação (0,001–0,1 μm), são amplamente aplicadas na produção de água potável e no tratamento de águas residuais. No entanto, a matéria orgânica natural (MON), proteínas, polissacarídeos e outras macromoléculas tendem a acumular-se na superfície da membrana e dentro dos seus poros, levando ao declínio do fluxo e ao aumento da pressão transmembrana (TMP). Este fenômeno de incrustação continua sendo um gargalo crítico que restringe a operação sustentável da tecnologia UF. Estratégias convencionais como retrolavagem, limpeza química e pré-tratamento podem mitigar a incrustação no curto prazo, mas a limpeza frequente, a vida útil reduzida da membrana e o maior consumo de energia operacional são muitas vezes inevitáveis. Como resultado, a exploração de novos métodos de reforço físico para aliviar a incrustação de UF tornou-se um ponto importante de pesquisa tanto na academia quanto na indústria.
A aplicação de microbolhas de ar (MBs) oferece um novo caminho promissor para a inibição de incrustações em membranas de UF. Com diâmetros tipicamente na faixa micrométrica, os MBs podem ser uniformemente dispersos em água, gerando turbulência e efeitos interfaciais que proporcionam vantagens únicas em processos de membrana. Estudos demonstraram que a introdução de MBs na água de alimentação de UF pode reduzir significativamente a agregação e deposição de incrustações na superfície da membrana, melhorando assim a estabilidade operacional.
Em primeiro lugar, os MBs exercem um efeito de inibição de incrustações atravésmecanismos de dispersão e isolamento. Uma vez introduzidos no sistema UF, os MBs atuam como minúsculos “separadores”, dispersando as incrustações e enfraquecendo suas interações. A matéria orgânica natural que de outra forma se agregaria em aglomerados torna-se distribuída de maneira mais uniforme sob a influência dos MBs. Esta dispersão não só reduz a probabilidade de deposição de incrustações na superfície da membrana, mas também diminui a compactação da camada de bolo, tornando-a mais porosa e mais solta, facilitando assim a permeação da água. Experimentos mostraram que a presença de MBs pode reduzir acentuadamente a viscosidade aparente da água de alimentação, o que é um fator chave para melhorar o desempenho do fluxo.
Em segundo lugar, os MBs podemmodificar as interações entre os orgânicos e a superfície da membrana. O ácido húmico (AH), um componente importante da incrustação orgânica nas membranas de UF, é particularmente afetado. MBs se ligam a partículas HA em solução, alterando sua distribuição de potencial ζ-e reduzindo a tendência de agregação de partículas carregadas. Isso significa que os MBs previnem efetivamente a formação de camadas orgânicas densas na superfície da membrana. Estudos indicam que em experimentos de UF com água de alimentação-contendo HA, a introdução de MBs aumentou significativamente o fluxo normalizado tanto nos modos de filtração de-beco sem saída quanto de fluxo-cruzado, com melhorias máximas chegando a 139%. Isto destaca o papel crítico dos MBs no controle de incrustações orgânicas.
Em terceiro lugar, os MBs influenciam positivamenteTMP e estabilidade de fluxo. Sob operação convencional de UF, o fluxo diminui constantemente enquanto o TMP aumenta com o uso prolongado. Com MBs, no entanto, a estrutura da camada de incrustação mais frouxa e a adesão enfraquecida retardam o declínio do fluxo e suprimem os aumentos de TMP. Este efeito prolonga o tempo efetivo de operação da membrana e reduz a necessidade de limpeza frequente e tempo de inatividade.
Além disso, os MBs oferecemeconomia-de energia e benefícios ambientais. Ao aliviar a incrustação, os MBs reduzem a frequência da retrolavagem e da limpeza química, conservando assim grandes quantidades de água e produtos químicos e reduzindo os custos e os encargos ambientais. Além disso, a menor dependência de agentes de limpeza agressivos minimiza os danos químicos ao material da membrana, ajudando a prolongar a vida útil da membrana e a reduzir ainda mais-as despesas de substituição a longo prazo.
Vale ressaltar que a eficácia dos MBs na inibição de incrustações é influenciada por diversos parâmetros operacionais. Por exemplo, o pH da água de alimentação afeta significativamente o desempenho do MB. Estudos demonstraram que quando o pH está próximo do neutro (cerca de 6), os MBs exibem a inibição mais forte contra incrustações de HA. Isto ocorre porque as moléculas de HA exibem distribuições de carga mais favoráveis à adsorção e dispersão de MB sob estas condições. Outros fatores como concentração de MB, tamanho da bolha, temperatura e pressão da água de alimentação também desempenham papéis importantes. Em geral, temperatura e pressão mais baixas, concentração moderada de MB e taxas de fluxo de ar mais altas são benéficas para maximizar o desempenho de inibição de incrustações de MB.
Olhando para o futuro, os MBs possuem um potencial significativo para o controle de incrustações de UF. Por um lado, a combinação de MBs com sistemas de monitoramento on-line poderia permitir o ajuste-em tempo real da dosagem de MB com base em sinais de fluxo e TMP, alcançando uma prevenção de incrustações precisa e adaptativa. Por outro lado, os MBs poderiam ser integrados com partículas adsorventes, aditivos químicos{3}}ecologicamente corretos ou estratégias de tratamento híbridas para formar um sistema de controle de incrustações com múltiplos mecanismos "físico + químico + material", melhorando ainda mais o desempenho. Além disso, estudos futuros devem abordar a estabilidade-de longo prazo dos MBs e seus possíveis efeitos microscópicos em materiais de membrana para garantir segurança e confiabilidade em aplicações industriais-em grande escala.
Em resumo, os MBs nas membranas de UF inibem efetivamente a incrustação causada pela matéria orgânica natural e outras macromoléculas através de dispersão, regulação interfacial e efeitos de turbulência. Eles retardam significativamente o declínio do fluxo e estabilizam o TMP. Com suas características ecológicas e de baixo- consumo de energia, os MBs se alinham com as metas de desenvolvimento sustentável das tecnologias de tratamento de água e fornecem forte apoio para uma adoção mais ampla. À medida que a tecnologia amadurece e as estratégias de aplicação se expandem, espera-se que os MBs se tornem um componente vital dos sistemas de controle de incrustações de UF, fornecendo soluções mais eficientes e ecologicamente corretas para a indústria de tratamento de água.