U N I V E R S I D A D E F E D E R A L D E S A N T A C A T A R I N A CENTRO TECNOLÓGICO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS USO DE MEMBRANAS MICROPOROSAS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES DE UM FRIGORÍFICO DE ABATE DE AVES Dissertação submetida ao Curso de Pós- graduação em Engenharia de Alimentos da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Alimentos. Área de concentração: Desenvolvimento de Processos da Indústria de Alimentos. Orientador: Prof. José Carlos Cunha Petrus HERBERT LIMA BELO DA SILVA Florianópolis 2005 “USO DE MEMBRANAS MICROPOROSAS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES DE UM FRIGORÍFICO DE ABATE DE AVES” Por HERBERT LIMA BELO DA SILVA Dissertação julgada para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Alimentos, área de Processos da Indústria de Alimentos, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia de Alimentos da Universidade Federal de Santa Catarina. _____________________________________________ Prof. Dr. José Carlos Cunha Petrus Orientador ______________________________________________ Prof. Dra. Gláucia Maria Falcão de Aragão Coordenadora do CPGEA Banca Examinadora: Prof. Dr. José Carlos Cunha Petrus Prof. Dr. Hugo Moreira Soares Prof. Dr. Flávio Rubens Lapolli Florianópolis, 16 de setembro de 2005. À minha mãe, irmãos, avó, familiares e amigos, pelo apoio e amor; à Christianne e Cynthia Barbosa pelo incentivo, ajuda, compreensão e amizade; e em memória do meu amado e querido pai. AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus pelas possibilidades, oportunidades, força, esclarecimento, benção e a minha existência. À minha mãe pelo amor, saudades e apoio em todos os planos, me dando todo suporte para que eu pudesse morar em outra cidade/estado, corroborando com a superação de mais esse degrau da minha vida pessoal e acadêmica, culminando na realização desse nosso sonho. À Christianne e Cynthia Barbosa que possibilitaram minha vinda a Santa Catarina/Florianópolis, me acolhendo na sua casa como seu eu fosse um irmão, tornando-a também minha. Por toda ajuda, incentivo, compreensão, convívio e amizade dispensados. Ao Prof. José Carlos Cunha Petrus pelos ensinamentos repassados; confiança e credibilidade conferidos a mim; paciência e compreensão; pela orientação, logística e meios para o desenvolvimento do nosso trabalho e pelo convívio de mais de 2 anos, tratado com respeito, profissionalismo e generosidade. A indústria Macedo Koerich S.A. e seus responsáveis, pelo fornecimento do material de trabalho, em especial à Ana Paula Corrêa, pelo suporte, parceria e empreendedorismo. Aos profissionais, técnicos e estagiários dos laboratórios do EQA (LABSEM, ENGEBIO, PROALI, LTE, LABMASSA), em especial, Denise Moritz, Claudimir Carminatti, Luciane Juliano, Angelina Lima e Fabrício Santana pela colaboração e suporte no desenvolvimento desse trabalho. A todos os professores do EQA que foram meus mestres, me ajudando com ensinamentos, incentivo e auxílio. Aos colegas de classe, em especial, Giandra Volpato e Alexandra Vendrúsculo, pelo apoio, ajuda e cumplicidade. A todos meus amigos e colegas de Belém e Florianópolis, em especial, Thiago da Silva, Thiago Fascin e Pedro Oikawa pelo incentivo, ajuda, compreensão, paciência e companheirismo. SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS ..................................................................................... i LISTA DE TABELAS E QUADROS ............................................................. iii LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIATURAS E SIGLAS ................................. iv RESUMO ....................................................................................................... v ABSTRACT ................................................................................................... vii 1 INTRODUÇÃO ................................................................................ 1 1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .......................................................... 1 1.2 OBJETIVO GERAL .......................................................................... 2 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................... 2 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................... 4 2.1 QUESTÃO AMBIENTAL .................................................................. 4 2.1.1 Recursos hídricos ......................................................................... 4 2.1.2 Reuso de águas residuárias ......................................................... 6 2.1.3 Uso industrial de efluentes tratados ........................................... 7 2.2 INDÚSTRIA FRIGORÍFICA DE ABATE E PROCESSAMENTO DE AVES ....................................................... 9 2.2.1 Processamento de frangos .......................................................... 10 2.2.1.1 Sangria ............................................................................................ 11 2.2.1.2 Escaldagem de frangos ................................................................... 12 2.2.1.3 Evisceração ..................................................................................... 12 2.2.1.4 Resfriamento de frangos ................................................................. 13 2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO COM MEMBRANAS ................... 13 2.3.1 Ultrafiltração .................................................................................. 16 2.3.2 Materiais poliméricos .................................................................... 17 2.3.3 Preparação de membranas poliméricas ...................................... 18 3 MATERIAIS E MÉTODOS .............................................................. 20 3.1 MATERIAIS ..................................................................................... 20 3.1.1 Materiais utilizados na preparação das membranas ................. 20 3.1.2 Equipamentos utilizados nas determinações analíticas ........... 21 3.1.3 Equipamentos utilizados nas filtrações ...................................... 21 3.1.4 Efluentes ........................................................................................ 25 3.2 MÉTODOS ...................................................................................... 26 3.2.1 Preparação das membranas ......................................................... 26 3.2.2 Condicionamento físico das membranas ................................... 29 3.2.3 Obtenção e pré-tratamento dos efluentes .................................. 29 3.2.4 Filtração dos efluentes ................................................................. 29 3.2.5 Programa de limpeza .................................................................... 31 3.2.6 Quantificação do depósito adsorvido na superfície das membranas ............................................................................. 32 3.2.7 Determinação do ponto de corte das membranas ..................... 32 3.2.8 Análises físico-químicas ............................................................... 33 3.2.8.1 Determinação do pH ........................................................................ 33 3.2.8.2 Determinação da condutividade elétrica ......................................... 34 3.2.8.3 Determinação de cor ....................................................................... 34 3.2.8.4 Determinação de turbidez ............................................................... 34 3.2.8.5 Determinação de sólidos totais ....................................................... 34 3.2.8.6 Determinação de sólidos suspensos totais ..................................... 35 3.2.8.7 Determinação de sólidos dissolvidos totais ..................................... 35 3.2.8.8 Determinação da demanda química de oxigênio ............................ 35 3.2.8.9 Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Furier (FTIR) ......................................................... 36 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................. 37 4.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DOS EFLUENTES ......... 37 4.2 RESULTADOS PRELIMINARES .................................................. 38 4.2.1 Influência da pressão .................................................................. 38 4.2.2 Influência da temperatura ........................................................... 40 4.3 RESULTADOS OBTIDOS NO EQUIPAMENTO PILOTO ............. 40 4.3.1 Condicionamento das membranas ............................................ 41 4.3.2 Efeito da filtração em água de escaldagem com 43 diferentes diluições ..................................................................... 4.3.3 Efluente misto .............................................................................. 45 4.4 RESULTADOS FINAIS .................................................................. 48 4.4.1 Limpeza das membranas ............................................................ 48 4.4.2 Quantificação do material adsorvido nas membranas durante a ultrafiltração .......................................... 50 4.4.3 Variação das condições operacionais de processo ................ 52 4.4.4 Histerese da membrana sob efeito da pressão 56 crescente e decrescente ............................................................. 4.4.5 Retenção das membranas .......................................................... 58 4.4.6 Caracterização através de FTIR ................................................. 59 5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ....................................... 61 5.1 CONCLUSÕES ............................................................................. 61 5.2 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................. 62 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................. 63 i LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 Fluxograma das aplicações para reuso de efluentes Tratados ................................................................................. 6 FIGURA 2 Fluxograma da linha de processamento de frangos .............. 11 FIGURA 3 Esquema dos processos com membrana promovidos por pressão e seu poder de separação ........................................ 16 FIGURA 4 Esquema da célula de filtração de bancada .......................... 22 FIGURA 5 Fotografia da célula de filtração de bancada ......................... 22 FIGURA 6 Esquema do equipamento piloto de filtração ......................... 23 FIGURA 7 Fotografia do equipamento piloto de filtração ........................ 24 FIGURA 8 Detalhes da célula de filtração do equipamento piloto ........... 24 FIGURA 9 Fotografia dos efluentes utilizados nos experimentos ........... 26 FIGURA 10 Fluxograma da formulação da solução polimérica ................. 27 FIGURA 11 Esquema de preparação da membrana utilizando a técnica de inversão de fases em banho de não-solvente .................. 28 FIGURA 12 Fotografia do suporte mecânico e das membranas preparadas e recortadas ........................................................ 28 FIGURA 13 Fluxos permeados da água de resfriamento em função da pressão, na célula de filtração de bancada ............................ 38 FIGURA 14 Fluxos permeados da água de resfriamento em função da temperatura, na célula de filtração de bancada ................ 40 FIGURA 15 Fluxos permeados de água no condicionamento da membrana 41 FIGURA 16 Fluxos permeados da água de resfriamento obtidos de filtrações com membranas sem e com condicionamento ...... 42 FIGURA 17 Amostras da água de resfriamento e seus permeados .......... 43 FIGURA 18 Fluxos permeados da água de escaldagem e suas diluições 44 FIGURA 19 Fluxos permeados obtidos no condicionamento e filtração do efluente misto .................................................................... 45 FIGURA 20 Fluxos permeados obtidos no condicionamento, filtração e pós-limpeza do ensaio com o efluente misto ......................... 46 ii FIGURA 21 Fluxos permeados obtidos do efluente misto durante 47 aplicação do programa de limpeza ........................................ FIGURA 22 Fluxos permeados obtidos no programa de limpeza da membrana utilizada com a água de escaldagem .................. 49 FIGURA 23 Fluxos permeados obtidos no programa de limpeza da membrana utilizada com o efluente misto ............................. 50 FIGURA 24 Distribuição da massa de material adsorvido pela área da membrana na filtração do efluente misto .......................... 51 FIGURA 25 Fluxos permeados obtidos no ensaio de variação das condições operacionais em função da pressão transmembrana ...................................................................... 52 FIGURA 26 Fluxos permeados obtidos no ensaio de variação das condições operacionais em função da velocidade tangencial 53 FIGURA 27 Fluxos permeados obtidos no ensaio de variação das condições operacionais em função da temperatura .............. 54 FIGURA 28 - Histerese da membrana em função da pressão durante a filtração de água ................................................................. 56 FIGURA 29 Histerese da membrana em função da pressão durante a filtração de água de resfriamento ....................................... 57 FIGURA 30 Histerese da membrana em função da pressão durante a filtração de água de escaldagem ........................................ 58 FIGURA 31 Histerese da membrana em função da pressão durante a filtração do efluente misto ................................................... 58 FIGURA 32 Espectros de FTIR das membranas de PVDF ....................... 59 iii LISTA DE TABELAS E QUADROS TABELA 1 Produção em 2004 de algumas indústrias frigoríficas 10 de abate de aves instaladas no Estado de Santa Catarina ... TABELA 2 Características físico-químicas dos efluentes ........................ 37 TABELA 3 Características físico-químicas das amostras da água de resfriamento do ensaio em função da pressão, realizado na célula de bancada ............................................................. 39 TABELA 4 Características físico-químicas das amostras da água de resfriamento dos ensaios das membranas com e sem condicionamento .................................................................... 42 TABELA 5 Características físico-químicas das amostras obtidas nos ensaios com água de escaldagem e suas diluições .............. 44 TABELA 6 Características físico-químicas das amostras do efluente misto e seus permeados ........................................................ 47 TABELA 7 Características físico-químicas das amostras obtidas no ensaio de variação das condições operacionais ............... 55 QUADRO 1 Processos de separação com membrana e as forças motrizes promotoras .............................................................. 14 QUADRO 2 Condições operacionais utilizadas nas filtrações com a célula de bancada e equipamento piloto ............................ 31