Transcript Aula03.Tratamento da Água - Docente

Tratamento da Água
ETA
• Conjunto de instalações e equipamentos
destinados a alterar as características físicas,
químicas e/ou biológicas da água, de modo a
satisfazer os padrões de potabilidade exigidos
pelo Ministério da Saúde (Portaria 518/04).
Definição da tecnologia para
potabilidade da água
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Características da água bruta;
Custos de implantação, manutenção e
operação;
Manuseio e confiabilidade dos
equipamentos;
Flexibilidade operacional;
Localização e características da
comunidade;
Disposição final do lodo.
Conama 357/05
Classe especial
• Características naturais não poderão ser
alteradas
• Não prevê usos múltiplos (o uso é a
própria manutenção do ecossistema)
• Não prevê lançamentos
ABNT / 1990
Principais processos e operações das
diferentes tecnologias de tratamento
da água
• Coagulação
• Floculação
• Sedimentação / floculação
• Filtração
• Adsorção em carvão ativado
• Desinfecção e oxidação
Mecanismo de Formação de
Dispersões Coloidais
• Partículas sólidas com pequenas dimensões (ex.
micelas) podem ter íons fixados à superfície.
• Esses íons podem estar fixados por processos de
adsorção ou por ionização de grupos que se
encontram na superfície de sólidos.
• No pH das águas naturais ocorrem partículas
suspensas de silicatos ionizados, com cargas
negativas.
1. Coagulação
Desestabilização
de soluções
coloidais
Formação de Dupla Camada
Elétrica
• Formação da dupla camada elétrica numa partícula de silicato
em suspensão
Camada primária com
carga negativa
Camada de contra-íons onde
predominam íons positivos em
solução e que permite
assegurar a eletroneutralidade
deste sistema
1. Coagulação
Camada de Stern –
elevada concentração de
íons positivos próximos a
superfície do colóide (força
de atração prevalece em
menor distância).
Camada difusa - de menor
concentração iônica
Estabilização de Suspensões Coloidais
• Em volta de cada partícula existe uma dupla
camada elétrica:
– camada primária de íons fixos à superfície
das partículas em suspensão.
– camada de contra-íons em solução e que
vão contrabalançar a carga elétrica da
camada primária.
• Cargas elétricas iguais dificultam aproximação
e a coalescência das partículas, que pode
permanecer muito tempo sem precipitar.
Estabilidade de Suspensões dos Colóides
• A maior parte dos sistemas coloidais são
metaestáveis ou instáveis relativamente à situação
de separação de fases.
• No colóide estável as partículas não formam
agregados a uma velocidade apreciável.
• A formação destes agregados de micelas bem como a
velocidade em que se formam são aspetos
importantes no tratamento de águas.
1. Coagulação
Resulta da ação
de 4 fatores
distintos.
Mecanismos de Desestabilização de
Colóides
1. Compressão da camada difusa (dupla camada
elétrica) diminuindo a espessura da camada
de contra-íons.
2. Adsorção e neutralização da carga elétrica da
camada primária.
3. Formação de pontes e adsorção entre
partículas (polímeros).
4. Varredura num precipitado volumoso de
Al(OH)3 ou de Fe(OH)3 - Fe III.
1. Coagulação
a. Compressão da camada difusa
Redução dupla camada com
aproximação das partículas.
Redução do potencial zeta.
melhor
a. Compressão da Dupla Camada
• Ensaios em “jar test”: geram
curvas (fig.) que permitem
avaliar o comportamento do
sistema: redução da turbidez
com o aumento de
concentração de eletrólito.
• Íons de maior carga são mais
efetivos (regra de ShultzeHardy).
• A adição do eletrólito
reduz a espessura da
camada de contra-íons
diminuindo os potenciais
repulsivos. Explicando a
desestabilização dos
colóides.
Concentrações elevadas de íons positivos
acarretam acréscimo do número de íons na
camada difusa, que, para se manter
eletricamente neutra, necessariamente tem
seu volume reduzido (diminuição da
espessura), de modo tal que as forças de van
der Waals sejam dominantes, eliminando a
estabilização eletrostática.
Coagulação - mecanismos
b. Adsorção - neutralização
Espécies com carga contrária à da superfície dos
colóides causam sua desestabilização.
• Coagulante gera cátions que neutralizam a carga
negativa do colóide, antes da formação visível do
floco. A agitação é importante nesta fase.
Coagulação - mecanismos
c. Adsorção e formação de pontes
Polieletrólitos - aniônicos, catiônicos,
anfolíticos e não iônicos, de
alto PM, com grupos carregados
e capazes de atuar como coagulante
(desestabilizam colóides).
Reação 1
Adsorção inicial – dosagem ótima
Uso de Polímero Coadjuvante
Reação 2
Formação do floco
• Mecanismo útil para a
fase de floculação e as
reações 1 e 2 dão uma
descrição do
mecanismo de atuação
destes polímeros.
• As outras reações
permitem explicar as
possibilidades de resuspensão das
partículas de sólido
devido a excesso de
polímero.
Reação 3
Adsorção secundária
Reação 4 Adsorção
Excesso dosagem
Reação 5
Ruptura do floco
Floco
Reação 6
Adsorção secundária
Floco fragmentado
Partícula reestabilizada
Reação 1
Adsorção inicial – dosagem ótima
Uso de Polímero Coadjuvante
Reação 2
Formação do floco
• Mecanismo útil para a
fase de floculação e as
reações 1 e 2 dão uma
descrição do
mecanismo de atuação
destes polímeros.
• As outras reações
permitem explicar as
possibilidades de resuspensão das
partículas de sólido
devido a excesso de
polímero.
Reação 3
Adsorção secundária
Reação 4 Adsorção
Excesso dosagem
Reação 5
Ruptura do floco
Floco
Reação 6
Adsorção secundária
Floco fragmentado
Partícula reestabilizada
• Sais de Al(III) ou Fe(III),
a valores de pH
próximos de 7 formamse precipitados de
hidróxidos de íons
metálicos, na água.
• São precipitados
volumosos que
permitem o
aprisionamento e o
arrastamento de
partículas em
suspensão.
d. Varredura
Neste diagrama, observar a descida de
turvação que ocorre a concentrações altas
de Al(III).
Exemplos de coagulantes
1. Alumínio
Al2(SO4)3 + 18H2O + 3Ca(OH)2 → 3CaSO4 +
2Al(OH)↓+ 18H2O
pH 6-8
Consumo da alcalinidade
13 Al+3 + 28 H2O ↔ Al13O4(OH)
+ 32 H⁺
natural24+7
da água
pH < 5,7
Caminhos para a coagulação por adsorção-neutralização de carga e por
varredura utilizando sulfato de alumínio (Di Bernardo, 2005).
Caminhos para a coagulação por adsorção-neutralização de carga e por
varredura utilizando sulfato de alumínio (Di Bernardo, 2005).
Tipos de coagulantes
2. Ferro
Fe⁺3 + 3 OH- →
Fe(OH)3↓ pH 3 a 13
Tipos de coagulantes
3. Policloreto de Alumínio
Inorgânico catiônico pre-polimerizados
a base de policloreto de alumínio.
• Carga = Aln(OH)m (3n-m)+
Auxiliares de Coagulação
Principais dificuldades com a coagulação:
- precipitados de baixa decantação,
- flocos frágeis, facilmente fragmentados sob forças
hidráulicas, nos decantadores e filtros de areia.
Melhoraram a coagulação promovendo o crescimento dos flocos
e incrementando a velocidade de sedimentação destes.
Materiais mais utilizados são: polímeros, sílica ativada, agentes
adsorventes de peso e oxidantes.
Alcalinizantes
• O mais utilizado pelo seu baixo custo é a
Cal Ca(OH)2 - cal virgem ou viva, cal
hidratada ou extinta, cal dolomítica).
• Hidróxido de cálcio Ca(OH)2 e misturas
deste com o MgO e o Mg(OH)2.
• Barrilha NaCO3.
Auxiliares de Coagulação
Sílica Ativada
• É o silicato de sódio tratado com ácido sulfúrico, sulfato de alumínio,
dióxido de carbono ou cloro.
• Liga as partículas microfinas de alumínio hidratado, sua dosagem está na
faixa de 5 a 10 mg/L.
Vantagens:
- aumenta a taxa de reação química,
- reduz a dosagem de coagulante,
- aumenta a faixa de pH ótimo e
- produz um floco com melhores propriedades de decantação e resistência.
Desvantagem: em relação aos polieletrólitos é a necessidade de um controle
preciso de preparo e dosagem.
A sílica, mesmo um pequenas quantidades causa prejuízos
as caldeiras à vapor.
Auxiliares de Coagulação
Argilas Bentoníticas (catiônicas)
Águas com alto teor de cor, baixa turbidez e baixo
conteúdo mineral. Nestas condições, os flocos de Fe
ou Al são demasiadamente leves para decantar
rapidamente.
A argila aumenta peso do floco e a decantabilidade.
Ácido Sulfúrico
Auxiliar na coagulação de águas de cor e pH muito
elevados.
Coagulação X Floculação:
• Coagulação e Floculação são muitas vezes usadas em
química como equivalentes da formação de
agregados de partículas coloidais.
• Para conseguir a agregação de micelas, há que
proceder de modo a diminuir ou mesmo suprimir as
forças repulsivas.
• Em tratamentos de águas, o termo Coagulação
aplica-se a desestabilização das partículas coloidais
para formação do pequenos agregados , os coágulos.
Coagulação X Floculação:
Os coágulos formados
ainda presentam
dificuldades de separação
da água, sendo necessário
complementar com:
• A floculação: quando as
partículas se unem
formando agregados de
maiores (flocos), os quais
são mais fáceis de separar
da fase líquida.
“Jar test”: copos com agitador, onde a amostra de água é ensaiada avaliando os
efeitos que pode ter a adição de determinado agente químico e em diferentes
condições.
2. Floculação
Transporte de Partículas
Etapa que propicia condições para:
- Contato e agregação de
partículas previamente
desestabilizadas por coagulação
química.
- Flocos de tamanho e massa
específica que favoreçam sua
remoção por sedimentação,
flotação ou filtração direta.
2. Floculação
Transporte de Partículas
• Agitação térmica das partículas (movimentos
brownianos).
• Movimentos no seio do fluído (agitação
mecânica).
• Diferenças de velocidade de descida por ação
da gravidade (as partículas mais rápidas podem
chocar com as mais lentas).
3. Sedimentação
e Flotação
• Sedimentação: Fenômeno físico no
qual partículas, em suspensão, tem
movimento descendente num
líquido de menor massa específica,
pela ação da gravidade.
• Flotação: pela ascensão partículas,
em suspensão, e pela aderência de
microbolhas de ar, tornando-as de
menor massa específica que o
meio.
4. Filtração
• Remoção de partículas
suspensas e coloidais e de
microrganismos da água
que escoa através de um
meio granular.
• Em geral processo final da
ETA e principal agente da
qualidade da água
potável.
5. Adsorção em Carvão Ativado
Na forma de pó, tem grande poder de adsorção.
É bastante empregada no tratamento da água
com gosto e odor provocador por material
orgânico.
Em geral após a filtração.
6. Desinfecção
e Oxidação
Em geral desinfetantes são oxidantes.
• Principais oxidantes: permanganato de K,
cloro, dióxido de cloro, O3, H2O2 e UV.
• Com exceção do permanganato os demais
são utilizados como desinfetantes.
Isenta de N
• Cl2 + H2O
• HClO
HClO + H+ + Cl- (Ác. Hipocloroso)
ClO- + H+ (Hipoclorito)
HClO- principal agente desinfetante
HClO + ClO- = Cloro livre
Em pH 7,5: [HClO] = [ClO-]
Em pH > 7,5: diminui [HClO] (ác. hipocloroso) e aumenta
[ClO-] , com prejuízo a eficácia da desinfecção.
Na presença de amônia
• HClO + NH4⁺
→ NH2Cl + H2O + H⁺ (monocloraminas)
• HClO + NH2Cl → NHCl2 + H2O (dicloraminas)
• HClO + NHCl2
→
NCl3 + H2O (tricloraminas)
Predomínio: de monocloraminas em pH >ou= 7
- Dicloraminas > poder bactericida que
monocloraminas. Tricloraminas não tem efeito.
- N amoniacal consome o Cl na formação de
cloraminas.
- Break point – quando toda a amônia disponível
se combinou com o cloro para a formação de
cloraminas. Teor residual mínimo de cloro livre.
Diagramas de Especiação do Al(III) e
Curva de Solubilidade
• A cada espécie corresponde uma linha reta devido a que as
escalas dos eixos são logarítmicas. A curva que aparece a
traço mais grosso corresponde à soma das concentrações:
solubilidade do alumínio em equilíbrio com o hidróxido de
alumínio sólido.
Dosagens: Zonas de Sobressaturação
• Para assegurar uma precipitação rápida é necessário usar
concentrações bastante superiores aos limites de
solubilidade e as dosagens de coagulante são apontadas
para as zonas de sobressaturação assinaladas na figura.
Al2(SO4)3 . 18H2O reage com a alcalinidade natural formando o
Al(OH)3:
Al2(SO4)3⋅18H2O + 3Ca(HCO3)2 → 3CaSO4 + 2Al(OH)3 ↓ + 6CO2
O Al(OH)3 forma flocos e o CO2 é o responsável pelo aumento da
acidez da água.
• Quando a alcalinidade natural é reduzida, adiciona-se cal Ca(OH)2
ou carbonato de sódio Na2CO3.
Al2(SO4)3 .18H2O → 3 Ca(OH)2 + 3 CaSO4 + 2Al(OH)3 + 18 H2O
Al2(SO4)3 .18H2O → 3Na2(CO3) +3NaSO4 + 2Al(OH)3 +15H2O + 3CO2
Sulfato ferroso adicionado à água precipita a forma oxidada de
Fe(OH)3, assim a adição de cal ou cloro é geralmente necessária
para uma coagulação efetiva
3FeSO4 .7H2O + Cl2 → Fe2(SO4)3 + FeCl3 + H2O
Fe2(SO4)3.7H2O + 2Ca(OH)2 ½O2 → 2Fe(OH)3 ↓+ Ca2SO4 + 13H2O
• Reação de pH alcalino (9 a 11), há clarificação de águas turvas, com
abastecimento com cal
• A vantagem em relação a Cal é que a coagulação pode ser obtida
numa extensa faixa de pH entre 4,8 e 11,00
Fe2SO4
FeSO4 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3↓ + 3CaSO4 + 6CO2
FeSO4 + 3Ca(OH2)2 →
2Fe(OH)3↓ + 3CaSO4
Cloreto férrico, FeCl3. 6H2O usado, primariamente, na coagulação
de esgotos sanitários e industriais, e encontra aplicações
limitados no tratamento de água.
Disponível nas formas sólida e liquida, é altamente corrosivo.
Aplicações da coagulação química (Fonte: Eckenfelder, 1989).
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