No campo em constante evolução da tecnologia de separação por membranas, os recentes desenvolvimentos marcaram um importante marco. A Conferência Nacional de Premiação de Ciência e Tecnologia reconheceu três projetos inovadores nessa área, demonstrando a crescente influência da China na engenharia ambiental e na gestão de recursos:
A tecnologia e aplicação chave do novo tratamento de água por membrana conquistou o prestigiado Primeiro Prêmio por seus avanços na tecnologia de tratamento de água.
A criação e aplicação de materiais de membrana para purificação de gases conquistou o segundo lugar, destacando inovações na purificação do ar.
A Criação e Aplicação de um Sistema Tecnológico de Garantia da Segurança da Água Potável, um projeto multifacetado que utiliza diversas tecnologias de membrana, também conquistou o Primeiro Prêmio.
Esta é a primeira vez que a separação por membranas recebe três Prêmios Nacionais de Progresso Científico e Tecnológico em um único ano — um testemunho da crescente expertise técnica da China. Esses reconhecimentos refletem a importância cada vez maior da separação por membranas na sustentabilidade ambiental, na recuperação de recursos e nos processos industriais.
O que torna a separação por membrana tão poderosa?
Em comparação com os métodos de separação tradicionais, a separação por membrana oferece diversas vantagens significativas:
Eficiência energética: A maioria dos processos ocorre à temperatura ambiente, exigindo energia mínima, pois não há necessidade de mudança de fase (exceto em casos como a destilação).
Simplicidade e escalabilidade: Permite concentração, purificação e separação em uma única etapa e pode ser facilmente dimensionado para operações de pequena e grande escala.
Benefícios ambientais: É uma solução livre de produtos químicos, adaptável e de baixo custo para inúmeras indústrias.
Essas características levaram à sua ampla aplicação em diversos setores, desde a separação de substâncias até a detecção, liberação controlada e controle de reações. Dado o seu imenso potencial, a separação por membranas tem sido priorizada pelo governo chinês há muito tempo. Durante o “13º Plano Quinquenal”, 23 documentos de políticas públicas destacaram sua importância, e novas políticas no âmbito do “14º Plano Quinquenal” continuam a impulsionar seu desenvolvimento.
Separação por membrana no tratamento de água: transformando a indústria
O tratamento de água continua sendo o campo mais amplo e consolidado para a separação por membranas, com a dessalinização e a purificação de água potável como suas principais aplicações. Essa dominância explica por que as membranas de osmose reversa detêm a maior participação de mercado na China e no mundo.
Um dos projetos de destaque entre os premiados deste ano, Tecnologia-Chave e Aplicação de Novos Tratamentos de Água por Membrana, inclui avanços significativos em membranas de separação de água ultrapura — essenciais na fabricação de semicondutores — e inovações no tratamento de água contaminada por radiação nuclear. A bem-sucedida nacionalização da produção dessas membranas avançadas, antes dominada por empresas estrangeiras, representa um grande passo para o setor tecnológico da China.
Por exemplo, empresas chinesas como a Wharton Technology Co., Ltd. desenvolveram suas próprias membranas de água ultrapura, a série UE, atualmente utilizadas em diversos projetos de microeletrônica de alta tecnologia. Para impulsionar ainda mais esse crescimento, a Associação Chinesa da Indústria de Membranas introduziu diversas normas de grupo, incluindo:
Requisitos técnicos para componentes de membrana de ultrafiltração para água ultrapura na indústria de semicondutores (T/ZGM 011-2023),
Normas para membranas espirais de osmose reversa (T/ZGM 012-2023),
Pilhas de membranas de eletrodeionização (T/ZGM 013-2023).
Essas normas ajudam as empresas nacionais a atingir os padrões globais, impulsionar a inovação de produtos e promover o desenvolvimento de alta qualidade da indústria de membranas da China.
Tratamento de águas residuais: transformando poluição em recursos
A tecnologia de separação por membranas também está revolucionando o tratamento de águas residuais e esgoto. Com regulamentações ambientais mais rigorosas na China, as indústrias enfrentam imensa pressão para tratar as águas residuais de forma eficaz e a baixo custo. O dilema tradicional de equilibrar os custos do tratamento e a responsabilidade ambiental tem levado muitas empresas a adotar práticas de descarte ilícitas para reduzir o ônus financeiro.
No entanto, quando aplicada de forma eficaz, a separação por membranas pode tornar o tratamento de águas residuais não apenas uma necessidade ambiental, mas também um empreendimento lucrativo. Veja, por exemplo, o projeto “Tecnologia de Preparação e Integração de Membranas para Emissão Zero de Águas Residuais da Indústria de Celulose”, liderado pelo Professor Xing Weihong sob a orientação de Xu Nanping, membro da Academia Chinesa de Engenharia. Este projeto construiu a primeira demonstração mundial de emissão zero para águas residuais da indústria de celulose, capaz de processar 40,000 toneladas por dia. Revitalizou o projeto da Fábrica de Papel Nantong Prince, que estava à beira do colapso, gerando uma recuperação de 10 bilhões de yuans.
Um sucesso mais recente é o parque químico fino no Parque Industrial de Pingluo, em Ningxia. Historicamente afetado pela poluição, o parque enfrentava sérias restrições devido à sua incapacidade de equilibrar a demanda de água e o descarte de resíduos. Em resposta, foi lançado o primeiro projeto de descarte zero para tratamento de efluentes em um parque químico fino na China. O projeto, implementado pela Meifeng Environment, empregou separação por membrana avançada para alcançar a reutilização completa da água residual sem descarte externo. O processo converte a salmoura em sais de grau industrial, que são reutilizados na produção, reduzindo significativamente os custos de descarte de resíduos.
O sistema de membranas utilizado neste projeto apresenta uma taxa de recuperação de 98.6%, reduzindo os resíduos de sal impuro em 95% em comparação com os métodos tradicionais. Essa inovação permite que o parque trate 10,000 toneladas de águas residuais por dia, atendendo às suas necessidades de produção e reutilizando a água para paisagismo e serviços públicos urbanos.
Purificação e Separação de Gases: Inovação Aliada à Eficiência
Além do tratamento de água, a tecnologia de separação por membranas está avançando significativamente na purificação de gases, uma área crucial para indústrias que enfrentam desafios relacionados à qualidade do ar e emissões. Métodos tradicionais, como sistemas de remoção de poeira por mangas, ciclones e eletrostáticos, são utilizados há muito tempo para o controle de poeira, enquanto técnicas de adsorção, condensação, combustão e absorção química são empregadas para o controle de compostos orgânicos voláteis (COVs). No entanto, essas tecnologias convencionais apresentam dificuldades para lidar eficazmente com poeira ultrafina e gases residuais industriais complexos, especialmente quando se busca alta recuperação de recursos. Em contrapartida, a tecnologia de separação por membranas se destaca como uma alternativa energeticamente eficiente e de alto desempenho, capaz de atender aos padrões de emissão e, ao mesmo tempo, possibilitar a recuperação de recursos valiosos.
Um excelente exemplo disso é o premiado projeto “Criação e Aplicação de Materiais de Membrana para Purificação de Gases”, liderado pela equipe do Professor Jin Wanqin, do Laboratório Estatal de Engenharia Química de Materiais da Universidade de Tecnologia de Nanjing. Suas inovações revolucionárias em materiais de membrana estabeleceram um novo padrão para a remoção de poeira ultrafina (em níveis submicrométricos) e compostos orgânicos de gases de combustão industriais, além de recuperar pós e solventes de alto valor agregado.
Superando barreiras na purificação de gases com a tecnologia de membranas.
A equipe do Professor Jin desenvolveu um novo método de design para membranas de separação gás-sólido, estabelecendo uma ligação entre o desempenho da estrutura da membrana e os parâmetros de controle. As membranas de purificação de gases que eles criaram superam os padrões internacionais, apresentando uma permeabilidade ao ar 30% maior e uma resistência mecânica 198% superior. Essas membranas podem remover 99.99% de partículas ultrafinas de 0.3 mícron, excedendo em muito os padrões globais.
Um dos principais desafios na purificação de gases industriais é a contaminação por aerossóis oleosos, que podem criar camadas de poluentes em materiais filtrantes tradicionais, degradando seu desempenho ao longo do tempo. Para solucionar esse problema, a equipe introduziu um método de funcionalização in situ assistido por calor para tornar as membranas simultaneamente hidrofóbicas e oleofóbicas. Essa inovação permite um controle preciso da adesão e da molhabilidade da membrana, resultando em uma membrana com dupla repelência que resiste à poluição e oferece maior vida útil.
Aplicações práticas e impacto econômico
As membranas de purificação de gases desenvolvidas pela equipe do Professor Jin são agora amplamente utilizadas em diversos setores industriais. Mais de 200 projetos, incluindo os de grandes empresas como Sinopec, Hengyi Petrochemical e Jiangsu Huachang Chemical, adotaram essa tecnologia. Esses projetos abrangem 25 províncias e regiões autônomas da China, contribuindo significativamente para o tratamento de gases residuais industriais. As membranas são particularmente eficazes no tratamento de gases contendo cloro e fumaça com óleo, áreas em que as tecnologias tradicionais geralmente apresentam limitações.
Até o momento, essa tecnologia de membrana processou mais de 300 bilhões de metros cúbicos de gás industrial, recuperando pós de alto valor agregado e solventes orgânicos avaliados em mais de 1 bilhão de yuans. Os benefícios econômicos e ambientais têm sido substanciais, demonstrando que a tecnologia de membrana não só limpa as emissões industriais, como também transforma resíduos em recursos valiosos.
Como funcionam as membranas de separação de gases
As membranas de separação de gases operam com base em um princípio simples: a diferença de pressão parcial em ambos os lados da membrana impulsiona a separação dos componentes gasosos. Diferentes moléculas de gás permeiam a membrana em taxas variáveis. As moléculas mais rápidas se acumulam no lado da permeação, enquanto as mais lentas permanecem no lado da alimentação, possibilitando a separação de gases mistos.
Em comparação com métodos tradicionais como criogenia, adsorção por oscilação de pressão e adsorção química, a tecnologia de membranas oferece uma série de vantagens:
Funcionamento à temperatura ambiente: Não há necessidade de temperaturas extremas, o que o torna mais eficiente em termos energéticos.
Simplicidade e modularidade: O equipamento é simples e pode ser facilmente ampliado ou adaptado a diversas necessidades de separação de gases.
Alta eficiência: É capaz de processar uma ampla variedade de gases com impressionante precisão de separação.
Essa tecnologia versátil tem encontrado aplicações bem-sucedidas em diversos setores. Por exemplo, é utilizada na recuperação de hidrogênio na indústria de síntese de amônia, no tratamento de gases residuais em processos petroquímicos e em sistemas de enriquecimento de oxigênio e nitrogênio. Essas aplicações práticas demonstraram a viabilidade econômica e prática da separação por membranas para purificação de gases.
Hélio: O “Gás Dourado” que Impulsiona as Indústrias de Alta Tecnologia e a Corrida da China pela Autossuficiência
O hélio, muitas vezes chamado de "gás dourado", desempenha um papel crucial em uma ampla gama de indústrias — desde aplicações militares e processos petroquímicos até tecnologias médicas, fabricação de semicondutores e mergulho em águas profundas. É um elemento essencial em experimentos de supercondutividade e refrigeração criogênica, o que o torna um recurso raro e estratégico, crítico para as indústrias globais de alta tecnologia.
A China, apesar de sua enorme escala industrial, enfrenta uma escassez de hélio, com mais de 95% de seu suprimento dependendo de importações. O país possui reservas estimadas em 1.1 bilhão de metros cúbicos de hélio, mas apenas cerca de 50 milhões de metros cúbicos são extraíveis — meros 0.1% das reservas globais. Essa forte dependência de importações estrangeiras impulsionou pesquisas urgentes em tecnologias que possam aproveitar o hélio de baixa concentração encontrado no gás natural (teor de hélio de apenas 0.1% a 0.3%) e reduzir drasticamente os custos. Se esses recursos puderem ser aproveitados de forma eficiente, a China poderia suprir mais de 40% de sua demanda interna de hélio.
Desafios e soluções na extração de hélio
Os métodos tradicionais de extração de hélio, particularmente a destilação criogênica, oferecem a vantagem de produzir hélio de alta pureza, mas apresentam desvantagens significativas. Os altos custos de produção, o investimento maciço em equipamentos e o enorme consumo de energia limitam a escalabilidade e a eficiência dos métodos criogênicos. Para superar esses desafios, pesquisadores têm se concentrado na combinação da tecnologia de separação por membranas com a destilação criogênica e a adsorção por oscilação de pressão (PSA). Essa abordagem híbrida reduz significativamente o consumo de energia e os custos com equipamentos, mantendo a capacidade de extrair hélio de alta pureza. Como resultado, tornou-se uma área de pesquisa fundamental e já foi aplicada com sucesso em diversos projetos na China.
Avanços na produção nacional de hélio
A Sinopec alcançou um marco importante ao colocar em operação o primeiro projeto de purificação de hélio no sudoeste da China, localizado na planta de GNL de Fuling, operada pela filial de petróleo de Chongqing da Sinopec. Notavelmente, a membrana de purificação de hélio utilizada neste projeto foi desenvolvida inteiramente na China, representando uma conquista significativa na superação das barreiras tecnológicas anteriormente dominadas pelos Estados Unidos e pelo Japão no campo das membranas de separação de hélio à base de polímeros. Este marco é um passo importante para reduzir a dependência da China em relação a fontes estrangeiras de hélio.
Outro avanço significativo surgiu do trabalho do Instituto de Pesquisa de Carvão da China, que se uniu ao Grupo de Carvão e Eletricidade Yaojie para desenvolver um processo integrado de extração de hélio do metano de leito de carvão. Esse processo — que combina adsorção por oscilação de pressão, separação por membrana e refino — alcançou avanços tecnológicos importantes na extração de hélio. A equipe superou com sucesso os desafios da descarbonização e da concentração de hélio no metano de leito de carvão multicomponente, atingindo níveis de pureza de hélio superiores a 99.9999%. A primeira instalação mundial de extração de hélio de alta pureza a partir de metano de leito de carvão, com capacidade de 36,000 metros cúbicos por dia, entrou em operação, comprovando ainda mais que a China domina completamente o processo de extração de hélio a partir do metano de leito de carvão.
Aplicações inovadoras da tecnologia de membranas na extração de hélio
O Instituto de Pesquisa em Tecnologia de Engenharia da China alcançou mais um triunfo tecnológico ao aplicar seu sistema de separação e purificação de hidrogênio e hélio em um projeto de extração de hélio a partir de gás de evaporação de gás natural (BOG) em Luliang, Shanxi. O sistema, que integra tecnologia de ponta para extração de hélio a partir de BOG, utilizando adsorção por oscilação de pressão, separação por membrana e desidrogenação por adsorção, estabeleceu um novo padrão para a extração de hélio. Este sistema inovador não só separa e purifica o hélio com uma pureza superior a 99.999%, como também produz hidrogênio de alta pureza, com níveis de pureza semelhantes.
Essa nova abordagem permite a separação, o refinamento e a purificação de hélio em condições normais de temperatura, oferecendo eficiência e flexibilidade. O projeto demonstrou com sucesso a estabilidade operacional em longo prazo e em baixas temperaturas, comprovando que essas tecnologias não são apenas viáveis, mas também escaláveis para uso industrial.
O futuro da extração de hélio na China
À medida que a China avança rumo a uma maior independência no fornecimento de materiais estratégicos, os avanços na tecnologia de separação por membranas para extração de hélio desempenharão um papel fundamental. Ao integrar sistemas de membranas com outros métodos avançados, como destilação criogênica e adsorção por oscilação de pressão, a China já começou a dar passos significativos para reduzir sua dependência de importações. Essas tecnologias têm o potencial de transformar a cadeia de suprimentos de hélio da China, permitindo que o país explore suas próprias reservas de gás natural para atender a uma parcela substancial de suas necessidades domésticas de hélio.
Numa era em que o hélio se torna cada vez mais essencial para indústrias de ponta — abrangendo os setores aeroespacial, de computação quântica e até mesmo de energia limpa — o progresso da China na extração de hélio representa um passo significativo não apenas para sua própria estratégia industrial, mas também para o cenário global de alta tecnologia. À medida que a demanda por esse “gás dourado” continua a crescer, a combinação de inovação nacional, técnicas avançadas de extração e visão estratégica pode posicionar a China como uma futura líder no mercado global de hélio.
