Eletrodiálise aplicada na recuperação de fósforo a partir de solução com baixo teor de fosfato

Abstract

O fósforo é um elemento essencial para todas as formas de vida. Considerando a iminente escassez de recursos para produção de fertilizantes a base de fósforo, bem como os problemas ambientais causados por excessivas cargas desse nutriente em corpos hídricos, faz-se necessária sua recuperação. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o emprego de um sistema de eletrodiálise no tratamento de uma solução com baixo teor de fosfato visando a recuperação de fósforo de águas residuárias municipais. Empregando uma célula de eletrodiálise de bancada, os experimentos foram conduzidos em 4 etapas. A primeira etapa focou no estudo do transporte do fosfato no sistema de eletrodiálise, reportando-se uma restrição em sua extração percentual possivelmente devido à disponibilidade de H3PO4 decorrente de alterações de pH na interface membrana aniônica/solução diluída, ou ainda pela formação de PO43-, cujo transporte através da membrana pode ser dificultado. A segunda etapa visou a determinação das condições de operação para remover e concentrar fósforo de uma solução com baixa concentração de fosfato, observando-se alterações no sistema que podem comprometer a eficiência do tratamento em valores de taxa de desmineralização > 50 % A terceira etapa focou na recuperação (concentração) do fósforo empregando as condições de operação determinadas na etapa anterior, obtendo-se uma solução com concentração de fosfato > 0,100 g L-1 e fatores de concentração de sódio, fosfato e sulfato > 9,7. Na última etapa, avaliou-se a separação de sulfato e fosfato em condições de densidade de corrente acima da limite. Observou-se que a separação de sulfato do fosfato pode ter sido possível devido à formação de um “efeito barreira” proveniente de intensa dissociação da água na interface membrana aniônica/solução e/ou pela disponibilidade de PO43- decorrente da dissociação das espécies de fosfato. Alterações estruturais foram percebidas na membrana aniônica, limitando a viabilidade do processo à utilização de membranas resistentes a meios alcalinos. Superada essa condição, foi proposto um sistema de eletrodiálise em dois estágios visando a recuperação de fósforo de águas residuárias municipais com baixo teor de fosfato.

Phosphorus is an essential element for all life forms. Considering the imminent depletion of resources to produce phosphorus-based fertilizers, as well as the environmental problems caused by excessive loads of this nutrient in water bodies, its recovery is necessary. In this context, the objective of this work was to evaluate the use of an electrodialysis system in the treatment of a low phosphorus-containing solution aiming at the recovery of phosphorus from municipal wastewater. Employing a laboratory scale five-compartment electrodialysis cell, the study was held in four steps. The first step focused on the study of phosphate transport in the electrodialysis system, reporting a restriction in its percentage extraction possibly due to the availability of H3PO4 associated to pH changes at the anionic membrane/diluted solution interface or by the formation of PO43-, whose transport through the membrane may be hampered. The second step aimed at determining the operational conditions of the electrodialysis system to remove and concentrate phosphorus from a solution with a low phosphate concentration, observing changes in the system that could compromise the efficiency of treatment in values of demineralization rate > 50 % The third step focused on the recovery (concentration) of phosphorus using the operational conditions determined in the previous step, obtaining a solution with a phosphate concentration > 0.100 g L-1 and sodium, phosphate and sulfate concentration factors higher than 9.7. In the last step, the separation of sulfate and phosphate in current density conditions above the limiting one was evaluated. It was observed that the separation of sulfate from phosphate may have been possible due to the formation of a "barrier effect" from intense dissociation of water at the anionic membrane/diluted solution interface and/or to the availability of PO43- resulting from the dissociation of the phosphate species. Structural changes were observed in the anionic membrane, limiting the viability of the process to the use of alkali resistance anion-exchange membranes. Once this condition was overcome, a two-stage electrodialysis system was proposed aiming the recovery of phosphorus from municipal wastewater with low phosphate content.