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PRINCIPAIS PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS UTILIZADOS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES
Precipitação e co-precipitação (alumínio, ferro, polieletrólitos, etc.)
Troca-Iônica (resina catiônica e aniônica)
Adsorção (alumina, carvão ativado, outros)
Separação pro membranas (osmose reversa, ultrafiltração e eletrodiálise)
Oxidação Química (ozônio, peróxido de hidrogênio, cloro)
Tratamento eletrolítico
PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS PARA TRATAMENTO DE EFLUENTES
PROCESSO AGENTE CONDIÇÕES COMENTÁRIOS
Coagulação Al2(SO4)3 x 18 H2O
FeSO4 x 7 H2O
Fe(SO4) 3; FeCl 3
pH 4 a 8pH 4 a 12Polieletrólitos e cal são adicionados
Fosfatos e arsenatos são reduzidos a 0,05 mg/L
Abrandamento Ca(OH)2 e
Na2CO3
pH 11 e adição de coagulantes
Remoção de Ca e Mg a 15 mg/L de dureza. Sílica e fluoreto também removidos
Hidróxido, sulfeto e carbonato (precipitação)
Ca(OH)2 , NaOH
Na2S
Ajuste de pH Metais pesados podem ser removidos a 0,01 mg/L
Precipitação Química
Coagulação começa no instante em que são adicionados os
coagulantes à água e dura frações de segundo. Consiste em reações
física e químicas (entre coagulantes, a superfície das partículas,
algumas substâncias químicas presentes na água, principalmente as
que conferem alcalinidade e a própria água)
Floculação fenômeno através do qual as partículas já
desestabilizadas chocam-se umas com as outras para formar
coágulos maiores.
Considerar: aplicação do produto de forma uniforme, em toda a
massa; no tempo mais curto e com grande velocidade de agitação no
início e lenta no final
A coagulação/floculação, pode ser realizada com maior eficiência com
o uso de polieletrólitos.
Principais coagulantes, Floculantes e Auxiliares
Sulfato de Alumínio Fácil transporte e manejo, custo baixo, produzido em várias regiões brasileiras e utilizado em faixa de pH entre 5,0 a 8,0
Sulfato Ferroso Útil no tratamento de águas com pH elevado (8,5 a 11)
Sulfato Férrico Útil no tratamento de águas coloridas e ácidas (pH 5,0 a 11)
Cloreto Férrico Produz bons flocos em amplo intervalo de pH (5,0 a 11)
Aluminato de Sódio e Sulfato de Alumínio
Juntamente com a cal, empregado no abrandamento de águas, pH de 6,0 a 8,5
Precipitação Química
Clarificação de águas para efetuar a clarificação de uma água,
primeiro deve ocorrer a neutralização das cargas negativas da
matéria em suspensão e a aglutinação das partículas para que as
mesmas se tornem maiores e possam sedimentar rapidamente.
+++++++++++++ =
Quando se adiciona coagulantes à água (sulfato de alumínio, sulfato ferroso ou férrico), estes reagem com
a alcalinidade natural da água, ou adicionada, para formar hidróxidos de alumínio ou ferro
Precipitação Química
Reações com a alcalinidade natural:
Al2(SO4)3 x 18 H2O + 3Ca(HCO3)2 2 Al(OH3) + 3CaSO4 + 6CO2 + 18H2O
2 FeSO4 x 7 H2O + 2 Ca(HCO3)2 + ½ O2 Fe(OH)3 + 2 CaSO4 + 4 CO2 + 6 H2O
2 FeSO4 x 7 H2O + 3 Ca(HCO3)2 + Cl2 Fe(OH)3 + 2 CaSO4 + CaCl2 + 6CO2
+ 7 H2O
Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 2 CaSO4 + 6CO2
Precipitação Química
Reações com a alcalinidade adicionada:
Al2(SO4)3 + 3Na2CO3 + 4 H2O 2 Al(OH)3 + 3 NaSO4 + 3CO2 + H2O
Al2(SO4)3 x 18 H2O + 3 Ca(OH)2 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3 + 18 H2O
Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4
Fe2 (SO4)3 + 3 Na2CO3 + 4 H2O 2Fe(OH)3 + 3Na2SO4 + 3 CO2 + H2O
Os hidróxidos formados possuem cargas (+), onde estes polímeros neutralizam as cargas (-) dos colóides em suspensão, encapsulando-os dentro de sua estrutura floculenta. Os flocos densos, precipitam, deixando a água praticamente livre de turbidez.
Precipitação Química
+
+++
+
+ +
++
+
+
+
=Al(OH)3
- -
-
- - -- -
-
- --
Precipitação Química - Abrandamento
Dureza é a propriedade decorrente da presença de
metais alcalinos terrosos e resulta da dissolução de
minerais do solo e de rochas e dos resíduos industriais.
Concentração total de sais de cálcio e de magnésio,
expressa em carbonato de cálcio (mg/L).
Classes: (expressa em mg CaCO³/L)
Águas moles (< 50; moderadamente moles entre 50 a
100; levemente duras de 100 a 150; moderadamente
duras de 150 a 250; duras de 250 a 350; e muito duras >
350)
Precipitação Química - Abrandamento
Abrandamento ou amolecimento, consiste na
remoção total ou parcial de Ca e Mg, geralmente na
forma de bicarbonatos, sulfatos e cloretos. Se
introduzir uma água em caldeira rica nesses
compostos ocorrerá incrustações (uso em caldeiras
de baixa pressão e processos químicos industriais).
Processos de abrandamento:
(1) a cal sodada à frio e à quente e com variação com
fosfato trissódio (mono ou di);
(2) troca catiônica
Cal Sodada e variações - Abrandamento
Aplicados em água com dureza muito alta (> 150 ppm
de CaCO3), podendo reduzir a 15 a 30 ppm aplicado à
frio e 5 a 15 ppm quando aplicado à quente.
Neste processo é injetado solução de cal (CaO) e soda
ash (Na2SO4) à água a ser abrandada.
Ca(HCO3) + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2 H2O
Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 Mg(OH)2 + 2 CaCO3 + 2H2O
Cal Sodada e variações - Abrandamento
MgCO3 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaCO3
MgSO4 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaSO4
CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4
A reação abaixo mostra que o CO2 presente nas
águas, consome uma certa quantidade de cal:
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
Cal Sodada e variações - Abrandamento
A temperatura tem um certo efeito no processo de abrandamento
de águas, sendo mais efetiva quando realizada à quente do que
à frio
O efluente do processo da cal sodada à quente é tratado com
fosfato para reduzir a dureza final da água para 1 ppm.
CaCO3 + 2Na3PO4 Ca3 (PO4)2 + 3 Na2CO3
MgCO3 + 2 NaOH Mg(OH)2 + Na2CO3
Quando se necessita de uma água com dureza praticamente zero,
deve-se tratar por troca catiônica
DESMINERALIZAÇÃO DE ÁGUADESMINERALIZAÇÃO DE ÁGUA
Água bruta
Contém sais
minerais dissolvido
s
CaCO3
CaCl2
CaSO4
Ca(HCO3)2
MgCO3
MgCl2
MgSO4
NaClNa2SO4
KClSiO2
CO2
Fe
Processos Físico-Químicos (Troca-Iônica)
Resinas são polímeros ou copolímeros de compostos orgânicos (fenóis, aldeídos, estirenos e derivados de vinil)
Os trocadores de íons atuais são constituídos de polímeros insolúveis, durante os quais o processo de obtenção se adicionam grupos ativos ácidos ou básicos, obtendo-se polímeros apropriados para troca de cátions e outros para troca de ânions.
Usada em processo de abrandamento e desmineralização (remoção total dos íons presentes na água)
Processos Físico-Químicos (Troca-Iônica)
Resinas de trocas de cátions é classificada como fortemente ácida, podendo atuar como trocadores de
cátions, H+ e Na+. Pode trabalhar com água com qualquer pH, suporte temperatura de até 95°C quando em meio alcalino e até 120°C em meio neutro.
Resinas de trocas de ânions são resinas orgânicas do tipo fenol formaldeído ou poliestireno, ao qual é conferida propriedade de troca iônica pela introdução de grupos básicos (forte caracterizadas por apresentar grupo amônio quaternário e reter íon OH; ou fraco contendo grupo
nitrogênio ativo dos tipos NH2 por exemplo).
Processos Físico-Químicos (Troca-Iônica)
Troca Catiônica 2 R Na + Ca+2 R2Ca + 2 Na+
Onde R representa uma resina polimérica (poliestireno) com um grupo
-SO3 ativo na superfície. A resina é regenerada utilizando-se uma solução de NaCl de acordo com a reação acima. O envenenamento destas resinas geralmente é devido à presença de argila, ferro, material húmico e sílica.
Ordem de Preferência:
Ra+2 > Ba +2 > Pb +2 , Sr +2 , Ca +2 > Ni +2 > Cu +2 > Co +2 > Zn +2 >
Mn +2 > UO2 +2 > Ag+ > Cs + > K + > NH4
+ > Na + > Li +
Processos Físico-Químicos (Troca-Iônica)
Troca Aniônica:
RCl + NO3- RNO3 + Cl-
Ordem de preferência:
HCrO4 - > CRO4
2- > ClO4 - > SeO4
2- > SO4 2- > NO3
- > Br - >
HPO4 2- > HAsO4
2- > SeO3 2- > CO3
2- > CN - > NO2 - > Cl - >
H2PO4 - > HCO3
- > OH - > CH3COO - > F -
Desmineralização - Deionização
Resina catiônica
R - H
Resina aniônica
R - OH
Efluente – água e oxigênio dissolvido
Afluente
Ca, Mg, Na (bicarbonatos)
Ca, Mg e Na (cloretos, sulfatos, nitratos)
Silicatos
Oxigênio dissolvido
Gás carbônico
Hidróxido de Amônio
Ácidos: carbônico, sulfúrico, clorídrico, nítrico, silícico; e oxigênio dissolvido
Processos Químicos (Oxidação Química)
A oxidação química é o processo no qual elétrons são removidos de uma substância ou elemento, aumentando o seu estado de oxidação.
Na maioria dos casos, a oxidação de compostos orgânicos, embora seja termodinamicamente favorável, é de cinética lenta. Assim, a oxidação completa é geralmente inviável sob o ponto de vista econômico.
Uma das grandes vantagens da oxidação química frente a outros tipos de tratamento é a ausência de subprodutos sólidos (lodo), bem como a produção de CO2 e H2O como produto final.
Matéria orgânica CO2 e H2O
Agente oxidante
Legislação - Cloração
A Portaria 36 do Ministério da Saúde especifica a concentração mínima de CRL em qualquer ponto da rede de
distribuição o valor de 0,2 mg/L, mas ela não estabelece o valor máximo
permitido para a CRL.
OMS estabelece 5 mg/L um valor para CRT e não perigoso à saúde e para ocorrer desinfecção efetiva o residual de cloro livre deverá ser
maior que 0,5 mg/L, após 30 min de contato e pH < 8,0
Compostos passíveis de serem oxidados
Alta reatividade Média reatividade Baixa reatividade
Fenóis aldeídosAminas aromáticasTióálcool e tioéterSulfetos, cianetos e dissulfeto de carbonoCromo (VI)
ÁlcooisAlquil aromáticos subst.Aromáticos nitro subst.Grupo alquil insaturadosCarboidratosAcetonas alifáticasÁcidos, ésteres e aminas
HidrocarbonetosCompostos alifáticos saturadoBenzeno
Oxidação Química
A utilização do ozônio na desinfecção de água potável remonta ao
início no século XX (1906), em Nice, na França. Atualmente o
ozônio tem sido utilizado para outros fins tais como:
Agente oxidante no controle de flora e odor, remoção de cor, remoção
de ferro e manganês, e no auxílio da floculação (preozonização)
Na Europa, a ozonização já é utilizada em mais de 1000 ETA. Nos
EUA, este número subiu de 5 para 20 no período de 1977 a 1984, e
no Canadá de 23 para 50.
Oxidação Química
Derivados do Cloro (gás cloro, hipoclorito de sódio ou cálcio, cloraminas orgânicas e dióxido de cloro), muito
usado para o controle de doenças hídricas.
A ação oxidante e sanificante do cloro é controlada pelo ácido hipocloroso (HClO), produto de hidrólise da
substância clorada:
Cl2 + H2O HClO + HCl (1)
gás cloro
NaClO + H2O Na + ClO + H2O (2)
Na + ClO + H + OH HClO + NaOHhipoclorito
Oxidação Química
Ca(ClO)2 + H2O Ca + 2 ClO + H2O (3)
hip. Cálcio
Ca + 2 ClO + 2 H + 2 OH 2 HClO + Ca(OH)2
= N – Cl + H2O HClO + =N – H (4)
dicloroisocianurato de sódio
O ácido hipocloroso é um ácido fraco e que em solução aquosa se dissocia para formar o íon hipoclorito:
HClO ClO + H (5)
Se a amônia ou compostos amoniacais estiverem presentes na água, quando adicionamos o cloro, são
formadas as cloraminas (ação sanificante)
Oxidação Química
NH4 + HClO NH2Cl + H2O + H monocloroamina
NH2Cl + HClO NHCl2 + H2O dicloroamina
NHCl2 + HClO NCl3 + H2O
tricloroaminas
NH3 + Cl NH2Cl + HCl monocloroaminas
NH2Cl + Cl2 NHCl2 + HCl dicloroaminas
Monocloroaminas e dicloroaminas ação bactericida
O Processo de Cloração nas ETA’s
1ª etapa consumo de cloro pela oxidação da matéria orgânica
(demanda de cloro)
2ª etapa derivado clorado reage com a amônia formando as
cloraminas (cloro residual combinado)
3ª etapa cloro residual livre (ácido hipocloroso e íon hipoclorito).
O Cloro residual total (CRT) é a soma da concentração de cloro
residual livre (CRL) e do cloro residual combinado (CRC)
Oxidação Química
Métodos de aplicação de cloro:
Cloração simples não existe a preocupação de satisfazer a demanda e o residual deve estar entre 0,1 a 0,2 mg/L (garantia da qualidade microbiológica)
Amônia cloração adição de amônia e do derivado clorado simultaneamente (uso em água com fenóis, para evitar a formação dos clorofenóis – odor e sabor)
Cloração ao “break-point” adições controladas de cloro, até que as demandas sejam satisfeitas. Continua-se adicionando cloro até que as cloraminas também sejam oxidadas (sabor e odor característico dos derivados clorados). O ponto em que o cloro libera somente HClO e ClO (finalidade de desinfecção) é denominado de ponto de quebra.
Cloração acima do ponto de quebra
Tecnologia de Separação por Membranas
Processo de separação por membranas, tais como Osmose Reversa, Utlrafiltração e
Eletrólise, usam membranas seletivas para separar o contaminante da fase líquida. Esta
separação é realizada por pressão hidrostática (OR e UF) ou potencial elétrico (ED).
Desde sua utilização nos tratamentos de dessalinização de água do mar, a separação por
membranas tem sido utilizada para os mais diversos fins, os quais redução do volume de
lodos, recuperação e purificação de águas residuárias, concentração e/ou recuperação de
um contaminante.
Algumas limitações das membranasAlgumas limitações das membranas
Acetato de Celulose 0,1 m³/m²/dia a 100 psi
Poliamidas aromáticas0,07m³/m²/dia a 400 psi
CompostasDe 1 a 1,4m³/m²/dia a 200-400 psi
Faixa de pH: 2,5 a 7,0Temperatura máxima: 29 a 50ºCOutras limitações: biodegradável
Faixa de pH: 4 a 11Temperatura máxima: 35 a 46ºCOutras limitações: sensível a cloro (oxidante)
Faixa de pH: 1 a 13Temperatura máxima: 46 a 79ºCOutras limitações: tolera cloro até 10 ppm
Tecnologia de Separação por Membranas – OSMOSE REVERSA
A Osmose Reversa, também chamada de hiperfiltração, é baseada
no princípio da osmose. Quando duas soluções de concentrações
diferentes são separadas por uma membrana semi-permeável, a
água flui de uma solução menos concentrada para a mais
concentrada. O processo ocorre até que se atinja o equilíbrio.
Se uma pressão maior do que a pressão osmótica é aplicada na
solução mais concentrada, observa-se o fenômeno da OR, ou seja, a
água flui da solução mais concentrada para a menos concentrada.
A pressão osmótica que necessita ser vencida é proporcional à
concentração do soluto e da temperatura, e independente da
membrana.
AplicaçõesAplicações
Osmose reversa Ultrafiltração Eletrodiálise
Inorgânicos: metais, ciano-complexos, outros íons
Orgânicos: PM > 120
Sólidos: até 50.000 mg/L
Orgânicos: PM > 300, orgânicos não iônicos, óleos e graxas, metalo-complexos
Sólidos: efetiva na remoção de sólidos
Utilizada na remoção de espécies iônicas. Soluções contendo 1000 de sólidos suspensos podem ser concentradas até 250.000 ppm em um único estágio
A Osmose reversa na remoção de Compostos OrgânicosA Osmose reversa na remoção de Compostos Orgânicos
Remoção de 70 a 100% Remoção de 30 a 69% Remoção de 0 a 29%
Tetracloreto de carbonoDibromo etilenoAlachlorUrânio1,1,1- tricloroetilenoClorobenzeno1,2- dicloropropanoRádio
1,2- dicloroetano0- diclorobenzeno
BenzenoEtilbenzenoCis- 1,2- dicloroetileno
AplicaçõesAplicações
Osmose reversa Ultrafiltração Eletrodiálise
Inorgânicos: metais, ciano-complexos, outros íons
Orgânicos: PM > 120
Sólidos: até 50.000 mg/L
Orgânicos: PM > 300, orgânicos não iônicos, óleos e graxas, metalo-complexos
Sólidos: efetiva na remoção de sólidos
Utilizada na remoção de espécies iônicas. Soluções contendo 1000 de sólidos suspensos podem ser concentradas até 250.000 ppm em um único estágio