Assessment and Modeling of Air Gap Membrane Distillation Unit

Resumo Técnico: Avaliação e Modelagem de uma Unidade de Destilação por Membrana de Gap de Ar

Definição do Problema
A escassez global de água doce está se intensificando devido ao crescimento populacional e às mudanças climáticas, com tecnologias de dessalinização convencionais como a Osmose Reversa (RO) e a destilação térmica (MSF/MED) enfrentando limitações relativas ao alto consumo de energia, dependência de combustíveis fósseis e inadequação para aplicações fora da rede (off-grid). Embora a Destilação por Membrana de Gap de Ar (AGMD) ofereça uma alternativa promissora ao utilizar calor de baixa graduação e operar em temperaturas moderadas, a pesquisa atual enfrenta lacunas críticas. Estas incluem a falta de integração com fontes de energia renováveis (especificamente solar), a ausência de sistemas de controle dinâmicos baseados em sensores para se adaptar a condições variáveis, e uma avaliação tecnoeconômica holística insuficiente que combine eficiência térmica com métricas de custo como o Consumo de Energia Térmica Específica (STEC) e o Custo por Litro (CPL). Além disso, os modelos existentes muitas vezes carecem de validação experimental rigorosa em diversas condições operacionais.

Metodologia
Esta pesquisa emprega uma abordagem dupla combinando modelagem teórica e experimentação empírica para avaliar um sistema AGMD.

• Modelagem Teórica: Um modelo termodinâmico e de transporte abrangente foi desenvolvido utilizando MATLAB. O modelo incorpora processos de transferência de calor e massa, utilizando especificamente a abordagem de difusão molecular de Knudsen para o cálculo do fluxo de vapor. Ele considera a resistência da membrana ($R_m$) e a resistência do gap de ar ($R_a$), contabilizando parâmetros como porosidade da membrana, tortuosidade e dimensões dos poros. Os indicadores de desempenho chave calculados incluem o fluxo de permeado ($J_p$), Eficiência Térmica (TE), Razão de Saída Ganha (GOR) e STEC.
• Configuração Experimental: Uma bancada de teste AGMD customizada e integrada ao sistema solar foi construída para validar o modelo. O sistema apresenta um coletor solar de placa plana para aquecimento e um sistema de monitoramento em tempo real baseado em Arduino para controle adaptativo de fluxo e temperatura. A configuração utiliza uma membrana hidrofóbica de Politetrafluoretileno (PTFE) com um gap de ar de 5 mm, tamanho de poro de 0,45 μm e espessura de 150 μm.
• Parâmetros Operacionais: Simulações experimentais variaram as temperaturas de alimentação de 40°C a 70°C e as temperaturas do refrigerante de 10°C a 25°C, mantendo uma taxa de fluxo constante de 2 L/min.
• Análise Econômica: Uma análise de custo foi realizada para determinar o Fator de Recuperação de Capital (CRF), o Custo de Manutenção Anual (AMC) e o Custo Final por Litro (CPL), assumindo uma vida útil do sistema de 5 anos e uma taxa de juros de 12%.

Principais Resultados
O estudo gerou os seguintes achados quantitativos sob condições ideais (temperatura de alimentação de 70°C, temperatura do refrigerante de 10°C):

• Fluxo de Permeado: O sistema alcançou uma taxa de fluxo de permeado de pico de 12,77 kg/m²·h. O fluxo demonstrou um aumento não linear com o aumento das temperaturas de alimentação, impulsionado pelo aumento do diferencial de pressão de vapor e pela redução da viscosidade da alimentação.
• Eficiência Térmica (TE): A eficiência térmica melhorou significativamente com a temperatura, atingindo um pico de 50,62% a 70°C. O estudo também observa que, a uma temperatura de alimentação de 70°C, uma eficiência térmica de 44,49% foi alcançada, o que representa uma melhoria de 23,89% em relação às instalações AGMD padrão conectadas à rede que dependem de fontes de aquecimento não renováveis convencionais.
• Consumo de Energia: O Consumo de Energia Térmica Específica (STEC) foi minimizado para 29,04 kWh/m³ na maior temperatura de alimentação, indicando uma utilização eficiente de energia.
• GOR: A Razão de Saída Ganha aumentou aproximadamente 60% conforme a temperatura de alimentação subiu de 40°C para 70°C, atingindo um máximo de 0,191. Os autores observam que, embora isso mostre melhoria, este GOR máximo é muito inferior ao de outras técnicas de dessalinização.
• Viabilidade Econômica: O sistema demonstrou um custo de produção de água doce competitivo de $2,52 por metro cúbico ($0,00248/L), que é inferior aos valores encontrados na literatura comparável (ex: $2,77/m³).
• Validação do Modelo: O modelo MATLAB mostrou forte alinhamento com os dados experimentais e estudos anteriores (Koura et al., 2025; El Mokhtar et al., 2019). O modelo previu com precisão as tendências de fluxo, eficiência, GOR e STEC em várias temperaturas, confirmando a confiabilidade das formulações de difusão molecular de Knudsen e de transferência de calor utilizadas.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que esta pesquisa estabelece um framework validado para a otimização do design de AGMD, abordando especificamente a integração de energia renovável e controle adaptativo. O estudo posiciona o sistema AGMD proposto, movido a energia solar, como uma solução prática e de baixo custo para a dessalinização descentralizada e fora da rede em regiões com escassez de água. Ao alcançar alta eficiência térmica e baixo STEC, mantendo um custo de produção competitivo, o sistema é apresentado como uma alternativa viável à pequena escala de RO e à dessalinização térmica convencional. O trabalho afirma que sua combinação de uma ferramenta de modelagem MATLAB validada, um protótipo alimentado por energia solar com controle por sensores em tempo real e uma avaliação tecnoeconômica abrangente preenche lacunas críticas na pesquisa atual de AGMD, apoiando a escalabilidade e robustez da tecnologia para a geração sustentável de água doce.