Tratamento de águas de abastecimento coagulação e mistura rápida

Tratamento de águas de abastecimento coagulação e mistura rápida

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Prof. Luiza Girard

1 INTRODUÇÃO

As águas naturais podem conter uma série de impurezas, destacando-se as partículas coloidais, as substâncias húmicas e os microrganismos em geral. Tais impurezas apresentam geralmente carga superficial negativa, impedindo que as mesmas se aproximem, caso suas características não sejam alteradas.

A coagulação consiste na adição de sais de alumínio e de ferro ou de polímeros sintéticos, com o objetivo de alterar a carga entre as partículas permitindo que elas possam se agregar. Esse processo resulta de dois fenômenos: o primeiro, essencialmente químico, consiste nas reações do coagulante com a água e na formação de espécies hidrolisadas com carga positiva e depende da concentração do metal e do pH final da mistura; o segundo, fundamental mente físico, consiste no transporte das espécies hidrolisadas para que haja contato entre as impurezas presentes na água. O processo é muito rápido, ocorrendo em décimos de segundos e dependem fundamentalmente, do pH, temperatura, concentração de impurezas, etc.

2 CAUSAS DA ESTABILIDADE COLOIDAL 2.1 Estabilização eletrostática

A maioria das partículas na água é carregada eletricamente, sendo a carga normalmente negativa. Para produção dessa carga existem três fonômenos importantes: a) grupos superficiais que reagem com a água e recebem ou doam prótons. Para os óxidos superficiais como a sílica com o grupo superficial silanol.

Para substâncias orgânicas (microrganismos) que contêm o grupo carboxila ou o amino grupo:

R+ H+

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Nessas reações, a carga superficial depende da concentração de prótons

(H+) ou do pH da água, aumentando o pH, diminui a concentração de prótons e a superfície sólida fica mais negativa.

Os grupos superficiais tornam-se carregados eletricamente e a força de repulsão é maior do que a de atração.

b) Grupos superficiais que reagem na água com outros solutos (cátions e anions).

Si OH + Ca2 = Si OCa + H+

A formação de complexos envolve reações químicas específicas entre grupos da superfície das partícula, dependem também do pH.

c) Substituição na estrutura cristalina das partículas (substituição isomórfica)

É responsável por grande parte da carga negativa em materiais minerais. É uma troca de cátions na formação o que torna a estrutura carregada negativamente.

Si = 3s2 3p2 Al = 3s2 3p1

Devido aos 3 processos pelos quais os colóides apresentam com carga superficial negativa, ocorre um balanço de íons de carga contrária, presentes na água, formando um sistema coloidal sem carga elétrica.

As partículas coloidais carregadas negativamente atraem íons positivos e formam junto com a carga negativa uma camada denominada “camada compacta” que envolve a partícula. Os íons negativos se aproximam da camada rígida

R+ H+
SiSi Si
SiAl Si

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(compacta) e atraem íons positivos formando a camada difusa, que engloba a primeira. A concentração de íons na camada difusa é menor do que na camada compacta. O potencial elétrico é máximo na superfície da partícula e diminui com a distância até que a concentração de cátions e ânions se iguale e a partícula deixe de interferir no meio líquido.

A estabilidade da partícula se deve ao fato que as forças de repulsão de origem elétrica são maiores que as forças de atração de Van-der-Waals. Essa teoria é conhecida como teoria da dupla camada.

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Quanto maior a concentração de íons na água (força iônica maior), menor será a distância a partir da superfície do colóide em que serão iguais as concentrações de cátions e ânions.

Quando dois colóides semelhantes se aproximam um do outro ocorre a interação entre as camadas difusas, fazendo que haja repulsão devido a força eletrostática entre os mesmos.

Plano de cisalhamento: certa porção do meio, em torno da partícula, entre a superfície interna e externa da camada difusa que caminha com a partícula.

Potencial Zeta: Consiste na aplicação da diferença de potencial em uma amostrade água contendo colóides negativos, de tal forma que certa porção do meio, em torno da partícula, caminha junto com esta ao eletrodo positivo, caracterizando o plano de cisalhamento. O potencial elétrico no local diminui de maneira exponencial, situado entre a camada compacta e a camada difusa.

3 MECANISMOS DE COAGULAÇÃO

Os mecanismos de desestabilização das partículas coloidais utilizados durante o processo de coagulação são classificados segundo a AWWA (1990) em:

compressão da dupla camada;

adsorção e neutralização de cargas;

varredura;

adsorção e formação de pontes poliméricas.

3.1 Compressão da dupla camada

Quando um eletrólito indiferente (sais como o cloreto de sódio, que não sofrem reações de hidrólise e de adsorção) de carga contrária à partícula é colocado em meio aquoso, ocorre um aumento da concentração de íons na água; o volume da camada difusa precisa diminuir para que se mantenha a eletroneutralidade da partícula. Dessa forma, as forças de repulsão entre os colóides diminuem de tal modo que as forças atrativas de Van der Waals se tornem dominantes.

Em outras palavras, concentrações elevadas de íons positivos e negativos na água provocam um acréscimo de íons na camada difusa, que para manter-se eletricamente neutra tem seu volume reduzido, eliminando a estabilização eletrostática, e com isso, menor será a esfera de influência do potencial de repulsão da partícula. Exemplo típico desse mecanismo ocorre quando águas

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Prof. Luiza Girard doces com força iônica pequena misturam-se à água do mar, promovendo a formação de depósitos nas desembocaduras.

Coagular significa reduzir o potencial zeta a tal forma que se consiga a união de partículas coloidais.

3.2 Adsorção e neutralização de cargas

No mecanismo de adsorção e neutralização de cargas, após a adição do coagulante, ocorre a hidrólise dos íons metálicos e subseqüente adsorção das espécies hidrolisadas, geralmente de carga positiva, na superfície dos colóides, levando a sua desestabilização.

Para grandes concentrações de coagulantes ocorre a reestabilização, isto é, os colóides se tornam carregados positivamente pelo excesso de coagulante.

Esse mecanismo é muito importante quando o tratamento é realizado por meio de uma das tecnologias da filtração direta, pois não há formação de flocos para posterior sedimentação, mas de partículas desestabilizadas que serão retidas no meio granular dos filtros.

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3.3 Varredura

Dependendo da quantidade de coagulante adicionada, do pH da mistura, e da concentração de alguns tipos de colóides na água, poderá ocorrer a formação de precipitados do tipo Al(OH)3 ou Fe(OH)3 (Hidróxidos Metálicos). O mecanismo de varredura é o mais utilizado em ETA’s convencionais, onde existe a floculação e a sedimentação, devido à maior faixa de abrangência de pH, levando também a uma maior facilidade de operação.

De acordo com DI BERNARDO (1987) apud FERREIRA FILHO et al (1996) quando da utilização de sais de alumínio ou sais de ferro na coagulação, os mecanismos mais importantes são o da adsorção-neutralização de cargas e o da varredura, porém, os flocos com a varredura são maiores e sedimentam mais facilmente.

3.4 - Adsorção e formação de pontes

O mecanismo de adsorção e formação de pontes é devido à adição de polímeros naturais ou sintéticos como agentes coagulantes. Os polímeros podem ser classificados de acordo com a sua carga em polímeros de carga positiva

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(catiônico) , negativa (aniônico) ou neutra (não iônicos), e de acordo com o seu peso molecular em polímeros de alto, médio ou baixo peso molecular.

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