Modelagem Matemática de um Sistema de Dessalinização Movido a Energia Solar sob Espumas Sólidas de Células Abertas Usando Membrana Hidrofóbica de Contato Direto

Resumo

A escassez de água doce é e deve continuar sendo um dos maiores desafios para a sociedade no futuro, devido a fatores como crescimento populacional, mudanças climáticas e poluição (UN, 2021). Uma alternativa para enfrentar esse problema é a produção de água doce através da dessalinização da água salgada ou salobra, que representa cerca de 97% do total de água no mundo (UN, 2021). Diversas tecnologias podem ser utilizadas para essa finalidade, podendo ser catalogadas de acordo com seu princípio de funcionamento ou com o tipo de energia motriz (Curto et al., 2021). Dentre elas, a Dessalinização por Membrana de Contato Direto (DMCD) se apresenta como um promissor método de microfiltração que utiliza um gradiente de temperatura para evaporar a água salina (Alkhudhiri et al., 2013). O vapor de água atravessa uma membrana microporosa que retém os sais, e então é condensada em água pura. O objetivo deste trabalho foi modelar matematicamente um sistema DMCD e simulá-lo em computador, a fim de estudar os fenômenos de transporte de calor e massa. O transporte de calor é o processo de transferência de energia do fluido quente para o frio, enquanto o de massa trata da transferência de vapor da solução salina para o volume de condensado permeado (Ameen et al., 2020). O uso de espumas metálicas de leito poroso foi empregado no estudo para melhorar os efeitos de transporte de calor e massa. As partículas de espuma de célula aberta são materiais celulares tridimensionais (3D) feitos de suportes sólidos interconectados por uma rede de poros (Kuang et al., 2019). As espumas de células abertas são materiais adsorvedores potenciais para aumentar a transferência de massa e de calor em leito fixo devido à sua grande porosidade, tortuosidade e grande área superficial (Kuang et al., 2019). Aliado a isso, o uso da energia termo solar como fonte de calor é particularmente interessante para tornar o processo, tanto ambiental quanto economicamente, mais sustentável, uma vez que o sol é uma fonte de energia limpa, abundante e gratuita (Ali et al., 2018). O módulo DMCD consiste num conjunto de tubos concêntricos que podem ser divididos em três regiões: lado da evaporação (tubo mais externo), membrana de separação e lado do permeado (tubo mais interno). O modelo matemático heterogêneo utilizado para prever os fenômenos físicos no sistema fluido-sólido envolveu equações de balanço de energia e massa para as três regiões do módulo, sendo utilizados parâmetros termo físicos de entrada retirados da literatura (Martínez-Díez et al., 1999). Os resultados foram obtidos por meio de código computacional, desenvolvido pelos autores, usando o Método de Diferença Finitas (MDF) para simular os perfis de temperatura e concentração salina do módulo de dessalinização. Foram analisados os perfis nas direções radial e longitudinal do módulo ao longo de um tempo de carregamento de 30 segundos. Além disso, a produção de água final foi validada com dados da literatura (Salah et al., 2015). As conclusões chegadas com este trabalho foram: 1. Concordância de resultados do modelo quando comparado aos dados da literatura, significando boa precisão da predição do fluxo de permeado gerado; 2. Aumento no fluxo de permeado à medida que a temperatura média da membrana diminui, uma vez que este último fator melhora o coeficiente de transferência de massa do sistema; 3. Considerando as posições radiais, a membrana não apresentou variação significativa na temperatura do lado da mistura, mas sim do permeado, sendo a temperatura menor no centro da membrana. Como consequência, a produção de água foi maior nessa região; 4. Para as mesmas posições de comprimento do módulo, foi identificado uma adsorção proporcional maior de gás do que de sal por parte das partículas sólidas.