PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento Abrandamento de água por precipitação química Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Dureza da água O termo dureza foi originado em razão da dificuldade no processo de lavagem de roupas, com águas contendo elevada concentração de certos íons minerais; Isto era resultado da capacidade deste íons reagirem com sabões, evitando a formação de espuma; Na reação eram formados sabões insolúveis, que precipitavam. Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Dureza da água Além de reagir com sabões, a dureza da água pode resultar na formação de incrustações em tubulações e dispositivos de troca térmica. Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Dureza da água A dureza é resultado da presença de íons bivalentes, destacando-se o cálcio e o magnésio; Outros íons também podem atribuir dureza a água: Ferro; Manganês; Estrôncio; Bário; Zinco; Alumínio Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Medida da dureza Em tratamento de água a dureza é expressa em concentração equivalente ao carbonato de cálcio (mg/L); Ela pode ser designada de várias maneiras: Dureza total: soma da concentração de todos os íons responsáveis pela dureza; Dureza devida a carbonatos: parcela relacionada a presença de sais na forma de carbonatos (HCO3-, CaCO3); Dureza devida a não carbonatos: parcela devida a sais diferentes: Sulfato de cálcio, cloreto de cálcio, sulfato de manganês e cloreto de manganês. Prof. José Carlos Mierzwa

Classificação das águas em função da dureza Com relação a concentração de dureza, a água pode ser classificada em quatro categorias: Classificação Dureza (mg CaCO3/L) Branda < 75 Dureza moderada 76 - 150 Dura 151 - 300 Muito dura > 300 Prof. José Carlos Mierzwa

Fatores associados à dureza Para o controle da corrosão e incrustações em redes de água, o controle da dureza devido a carbonatos é muito importante; Em função do equilíbrio entre carbonatos a água pode ser corrosiva ou incrustante: Se a água tiver tendência para solubilizar carbonato ela é considerada corrosiva; No caso de haver tendência para precipitação de carbonato a água e considerada incrustante. Iso pode ser verificado pelo Índice de Saturação de Langelier; Prof. José Carlos Mierzwa

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Prof. José Carlos Mierzwa Índice de Langelier O índice de Langelier, ou Índice de Saturação mede a tendência de corrosividade ou incrustação de uma água: IS = pH – pHs IS = 0 (sem tendência para corrosão ou deposição); IS < 0 (água com características corrosivas); IS > 0 (água com característica incrustante). Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa pH de Saturação em função das Constantes de Solubilidade e Equilíbrio de Carbonatos O fator S ajusta a equação para a verdadeira atividade dos íons na expressão de equilíbrio. A expressão final é válida para uma faixa de pH variando entre 6,0 e 8,5. Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Coeficiente de Atividade gi = coeficiente de atividade para a espécie iônica i m = força iônica da solução; zi = carga iônica da espécie i TDS = concentração de sólidos dissolvidos totais (mg/L) Ci = concentração da espécie iônica (M); Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Valores de pKps, pK2 e S Temperatura (ºC) pK2 pKps S TDS (mg/L) 50 150 400 1000 1500 5 10,55 8,39 0,0825 0,137 0,210 0,300 0,345 10 10,49 8,41 0,0832 0,138 0,211 0,303 0,348 15 10,43 8,43 0,0838 0,139 0,213 0,305 0,351 20 10,38 8,45 0,0845 0,140 0,215 0,308 0,354 25 10,33 8,48 0,0854 0,142 0,217 0,311 0,358 30 10,29 8,51 0,0861 0,143 0,219 0,314 0,362 35 10,25 8,54 0,0869 0,144 0,221 0,318 0,366 40 10,22 8,58 0,0879 0,146 0,224 0,322 0,370 45 10,20 8,62 0,0888 0,148 0,226 0,325 0,375 10,17 8,66 0,0898 0,149 0,229 0,329 0,379 Fonte:Ronald L. Droste, 1997 Prof. José Carlos Mierzwa

Dureza em águas de abastecimento Para água de abastecimento público é recomendado que a dureza da água esteja entre 80 mg/L a 100 mg/L como CaCO3; Águas com dureza superior ou para o caso de aplicações industriais, a dureza deve ser reduzida. Prof. José Carlos Mierzwa

Benefícios para redução da dureza Redução da tendência de incrustação; Redução do consumo de sabões e detergentes; Remoção de metais pesados: Elevação do pH; Formação de complexos insolúveis. Remoção de sílica e fluoretos; Remoção de ferro e manganês; Clarificação da água quando da precipitação dos íons responsáveis pela dureza. Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Remoção da dureza O processo de remoção da dureza é conhecido como abrandamento; O abrandamento pode ser feito de três formas: Precipitação química  processo geralmente utilizado para águas com elevada concentração de dureza; Troca catiônica  mais indicado para o caso onde a concentração da dureza seja baixa; Processo de nanofiltração  utilização de membranas poliméricas. Prof. José Carlos Mierzwa

Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Precipitação química: Vantagens: Pode ser aplicado para águas com dureza elevada; Possibilita remover da água outros contaminantes: Alguns radionuclídeos; Remoção de metais pesados e arsênio; Clarificação da água; Tecnologia bem estabelecida. Desvantagens: Utilização de produtos químicos; Produção de lodo; Necessidade de ajustes finais. Prof. José Carlos Mierzwa

Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Troca catiônica: Vantagens: Grande eficiência para remoção dos íons responsáveis pela dureza; As resinas podem ser regeneradas; Não há formação de lodo no processo. Desvantagens: Requer um pré-tratamento da água; Ocorre saturação da resina, exigindo a sua regeneração; Elevação da concentração de SDT na água; Requer o tratamento do efluente da regeneração. Prof. José Carlos Mierzwa

Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Nanofiltração: Vantagens: Remove com eficiência íons responsáveis pela dureza; Não requer a utilização de produtos químicos; Ocorre a remoção de outros contaminantes, orgânicos e inorgânicos. Desvantagens: Tem uma menor produção de água em relação aos demais processos; Requer um nível elevado de pré-tratamento; Água com elevada dureza pode resultar em perda da eficiência do sistema; Ocorre a geração de uma corrente de concentrado. Prof. José Carlos Mierzwa

Abrandamento por precipitação química É utilizado o processo a base de cal (CaO) e carbonato de sódio; A cal é utilizada para elevar o pH da água, fornecendo a alcalinidade necessária; O carbonato de sódio pode fornecer a alcalinidade para reação e também os íons carbonato necessários. Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Reações envolvidas Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Considerações A utilização do CaO é mais indicada pois esta apresenta menor custo; É possível utilizar também o hidróxido de sódio como alcalinizante, mas: É um produto de custo mais alto; A sua utilização resulta em um maior acréscimo na concentração de SDT na água final. Prof. José Carlos Mierzwa

Química do processo de abrandamento Com relação á remoção de dureza devido a cálcio consideram-se as seguintes relações: Prof. José Carlos Mierzwa

Química do processo de abrandamento Admitindo-se que todo o carbono inorgânico esteja na forma de carbonato e bicarbonato: [Ca2+]=Ct Combinando-se as expressões: Kps = 10-8,342 K1 = 10-6,35 K2 = 10-10,33 Prof. José Carlos Mierzwa

Concentração de cálcio em função do pH, para o sistema CaCO3 Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Constantes de solubilidade para compostos relacionados ao processo de remoção da dureza T (ºC) CaCO3(s) Mg(OH)2(s) MgCO3(s) CaSO4(s) [Ca2+] [Mg2+] -Log Kps mg/L 8,023 3,90 10 8,150 20 8,280 2,90 25 8,342 11,6 2,67 7,46 4,52 5,3 89,8 30 8,395 40 8,515 50 8,625 1,95 Fonte: Chemistry of Water Treatment, Samuel D. Faust; Osman M. Aly. 1999. Prof. José Carlos Mierzwa

Consumo de produtos químicos para o abrandamento A determinação do consumo de produtos considera as quantidades estequiométricas baseadas nas equações das reações químicas envolvidas; Com base na análise química da água determina-se os tipos de dureza presentes; Também é importante determinar a concentração de ácido carbônico. Prof. José Carlos Mierzwa

Consumo de produtos químicos para o abrandamento Concentração de ácido carbônico: Prof. José Carlos Mierzwa

Consumo de produtos químicos para o abrandamento A obtenção dos tipos de dureza é feita por meio de uma escala em meq, com linhas acima e abaixo desta escala; Nas linhas serão indicadas as concentrações de cátions (acima) e ânions (abaixo). meq/L cátions ânions Prof. José Carlos Mierzwa

Consumo de produtos químicos para o abrandamento Os cátions e ânions devem ser apresentados nas seguintes ordens: Cátions: Ca2+; Mg2+, Na+; K+ (caso necessário); Ânions: HCO3-; SO42-; Cl-; NO3- (caso necessário). Para efeito de cálculo admite-se que a concentração de íons carbonato seja zero. Prof. José Carlos Mierzwa

Análise de qualidade da água Exemplo de cálculo Análise de qualidade da água Constituinte mg/L meq/L mM pH 7,8a Ca2+ 96 4,79 2,395 Mg2+ 19 1,56 0,78 Na+ 18 K+ 1,5 0,04 HCO3- 133 2,18 SO42- 208 4,33 2,165 Cl- 25 0,705 H2CO3 5,2 0,17 0,084 a - unidades Prof. José Carlos Mierzwa

Diagrama de identificação Mg2+ = 1,56 Na+ = 0,78 meq/L 1 2 3 4 5 6 10 HCO3- = 2,18 SO42- = 4,33 Cl- = 0,705 Dureza de cálcio por carbonato = 2,18 meq/L; Dureza de cálcio não carbonato = 2,61 meq/L; Dureza de magnésio não carbonato = 1,56 meq/L. Prof. José Carlos Mierzwa

Dosagens de Produtos Químicos Tipo de Dureza meq Ca(OH)2 Na2CO3 meq/l mM meq/L H2CO3 0,19 0,17 0,84 Ca-Carb. 2,18 1,09 Ca-nCarb. 2,61 1,305 Mg-Carb. Mg-nCarb. 1,56 0,78 Total 6,52 3,91 1,945 4,17 2,085 Para o caso da dureza de Mg não carbonato deve-se considerar a necessidade de reação com o cálcio do hidróxido Prof. José Carlos Mierzwa

Equações complementares [Ca2+]original + [Ca2+]adicionado = Ctoriginal + [CO32-]adicionado Relação de neutralidade de cargas: carga de cátions = carga dos ânions; O valor de Ct original é obtido com base na concentração de bicarbonato e a respectiva constante de dissociação: Prof. José Carlos Mierzwa

Processos de Abrandamento O abrandamento por precipitação química pode ser feito por: Processo sem excesso de cal ou carbonato: Específico para remoção de dureza devida ao cálcio; Processo com excesso de cal ou carbonato: Quando é feita a remoção de dureza devida a cálcio e magnésio; Estes processos podem ser realizados em uma ou duas etapas; Em todos os casos deve ser feito o ajuste da estabilidade da água. Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Processo de abrandamento em um único estágio sem ou com excesso de cal ou carbonato Cal Coagulante CO2 Auxiliar de filtração Água Abrandada Pré-tratamento Lodo Abrandamento Recarbonatação Filtração Na2CO3 Prof. José Carlos Mierzwa

Prof. José Carlos Mierzwa Processo de abrandamento em dois estágios com excesso de cal ou carbonato Cal Coagulante CO2 Auxiliar de filtração Água Abrandada Pré-tratamento Lodo 1° Estágio 2° Estágio Filtração Na2CO3 Prof. José Carlos Mierzwa

Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamento Os processos de coagulação e sedimentação utilização equipamentos similares aos utilizados no processo de clarificação; Mistura rápida: Geralmente feita em dispositivo hidráulico. Floculação: Utilização de misturadores horizontais ou verticais (tipo turbina); Tempo de detenção de 30 a 45 minutos; Gradientes de floculação variados, podendo-se ter até três estágios; O projeto deve facilitar a limpeza periódica. Prof. José Carlos Mierzwa

Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamento Sedimentação: Taxa de aplicação: 1 a 2,4 m/h. Tempo de detenção hidráulico: 2 a 4 horas. Filtração: Utiliza-se as taxas empregadas na filtração em sistemas convencionas. No processo de abrandamento, a recirculação de uma parcela do lodo para o início do processo acelera as reações de precipitação. Prof. José Carlos Mierzwa

Sistema de tratamento de água Water Factory 21 Prof. José Carlos Mierzwa