Processo híbrido de separação por membranas para recuperação de fluoreto de águas subterrâneas

Abstract

A crescente escassez de recursos hídricos, intensificada pelas mudanças climáticas e pelo aumento da demanda, impõe a necessidade de explorar fontes de água não convencionais, como as águas subterrâneas. No entanto, essas fontes frequentemente apresentam contaminação natural, destacando-se a presença de fluoreto em concentrações superiores aos limites recomendados pela Organização Mundial da Saúde (OMS), situação observada em importantes reservas nacionais, como o aquífero Bambuí, no município de Santana, estado da Bahia. O consumo prolongado de água com excesso de fluoreto pode acarretar sérios problemas de saúde pública, notadamente fluorose dentária e esquelética. Diante desse cenário, o objetivo deste trabalho foi desenvolver e validar um sistema integrado e sustentável para o tratamento de águas contaminadas com fluoreto, visando à produção de água adequada ao consumo, à minimização da geração de rejeitos e à maximização da recuperação hídrica. Para alcançar esse objetivo, foi proposta uma abordagem híbrida baseada na combinação sequencial da Eletrodiálise Reversa (EDR) e da Destilação por Membranas com Contato Direto (DCMD). A EDR foi selecionada como tecnologia primária de desmineralização devido à sua seletividade e eficiência energética no tratamento de águas salobras. A DCMD foi empregada para o tratamento do concentrado gerado pela EDR, uma solução de elevada salinidade que representa um desafio para tecnologias convencionais, como a osmose reversa, possibilitando a recuperação adicional de água com elevada qualidade. A metodologia foi dividida em duas etapas principais. Primeiramente, em escala de bancada, foram realizados ensaios de eletrodiálise convencional para investigar os fenômenos de transporte iônico e o impacto de diferentes regimes de corrente — sublimitante e sobrelimitante — sobre o consumo energético e a eficiência de remoção, utilizando soluções sintéticas de fluoreto de sódio e uma solução multicomponente preparada para mimetizar a água do aquífero Bambuí. Essa etapa foi fundamental para a otimização dos parâmetros operacionais e para a compreensão dos mecanismos de incrustação (scaling). Na segunda etapa, em escala piloto, foi avaliado o desempenho do sistema integrado EDR-DCMD, operando em modo semicontínuo e utilizando um volume de 1.000 L de água sintética representativa do aquífero Bambuí, com o propósito de analisar a robustez e a eficiência do processo em condições próximas à aplicação real. Os resultados demonstraram a eficácia da abordagem proposta. Na escala piloto, a EDR, operando na densidade de corrente ótima de 3,85 mA.cm⁻², alcançou uma taxa de remoção de fluoreto de 80,9%, reduzindo a concentração inicial de aproximadamente 7,5 mg.L⁻¹ para 1,43 mg.L⁻¹, valor inferior ao limite de 1,5 mg.L⁻¹ recomendado pela OMS, além de proporcionar uma recuperação de água de 90%. O concentrado gerado pela EDR foi posteriormente tratado pela DCMD, que operou de forma estável durante 106 horas e possibilitou a recuperação adicional de 53 L de água, com rejeição iônica superior a 99,6%, até o início do fenômeno de molhagem (wetting) da membrana. O balanço de massa global do sistema integrado EDRDCMD revelou uma recuperação total de água de 95,3%, reduzindo o volume de rejeito final para apenas 4,7% do volume inicial. Esses resultados evidenciam o potencial da integração entre EDR e DCMD para o tratamento de águas subterrâneas contaminadas com fluoreto, com elevada recuperação hídrica, redução da geração de rejeitos e desempenho compatível com os princípios de sustentabilidade e de uso racional dos recursos hídricos.

The growing scarcity of water resources, intensified by climate change and increasing demand, makes it necessary to explore non-conventional water sources, such as groundwater. However, these sources often present natural contamination, particularly fluoride concentrations above the limits recommended by the World Health Organization (WHO), as observed in important national reserves such as the Bambuí Aquifer, located in the municipality of Santana, Bahia State, Brazil. Prolonged consumption of water with excessive fluoride concentrations can lead to serious public health problems, notably dental and skeletal fluorosis. In this context, the aim of this study was to develop and validate an integrated and sustainable system for treating fluoride-contaminated water, with the purpose of producing water suitable for human consumption, minimizing waste generation, and maximizing water recovery. To achieve this objective, a hybrid approach based on the sequential combination of Electrodialysis Reversal (EDR) and Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) was proposed. EDR was selected as the primary desalination technology because of its selectivity and energy efficiency in the treatment of brackish water. DCMD was employed to treat the concentrate generated by EDR, a high-salinity solution that poses a challenge to conventional technologies such as reverse osmosis, thereby enabling the additional recovery of high-quality water. The methodology was divided into two main stages. First, bench-scale conventional electrodialysis experiments were conducted to investigate ion transport phenomena and the effects of different current regimes—underlimiting and overlimiting—on energy consumption and removal efficiency, using synthetic sodium fluoride solutions and a multicomponent solution prepared to simulate water from the Bambuí Aquifer. This stage was essential for optimizing the operating parameters and understanding scaling mechanisms. In the second stage, the performance of the integrated EDR-DCMD system was evaluated at pilot scale. The system was operated in semi-continuous mode using 1,000 L of synthetic water representative of the Bambuí Aquifer to assess process robustness and efficiency under conditions close to practical application. The results demonstrated the effectiveness of the proposed approach. At pilot scale, EDR, operating at the optimum current density of 3.85 mA.cm⁻², achieved a fluoride removal rate of 80.9%, reducing the initial concentration from approximately 7.5 mg.L⁻¹ to 1.43 mg.L⁻¹, below the WHO-recommended limit of 1.5 mg.L⁻¹, while also providing 90% water recovery. The concentrate generated by EDR was subsequently treated by DCMD, which operated stably for 106 hours and enabled the additional recovery of 53 L of water, with ionic rejection exceeding 99.6%, until the onset of membrane wetting. The overall mass balance of the integrated EDR-DCMD system indicated a total water recovery of 96.5%, reducing the final reject volume to only 3.5% of the initial volume. These results demonstrate the potential of integrating EDR and DCMD for the treatment of fluoridecontaminated groundwater, providing high water recovery, reducing waste generation, and achieving performance consistent with the principles of sustainability and the rational use of water resources.