UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS

DISCIPLINA: QUÍMICA TECNOLÓGICA GERAL B EQA5114–Turmas( 0242A,0340B)

ÁGUAS NATURAIS

PROF. Ayres Ferreira Morgado

Disciplina: Química Tecnológica (EQA 5114)

Apostila de águas naturais, Junho de 1999 .
 
 
 
 
 

AGUAS NATURAIS
 

1 - Introdução:
 

    Na natureza estima-se que existam 45x1045 moléculas de água, das quais 95 % constituem água salgada, 5 % de água doce, na maior parte sob a forma de gelo, e apenas 0,3 % diretamente aproveitável com predominância de água subterrânea. A água cobre 4/5 da superfície da terra ,60 a 70 % do peso corpóreo do homem corresponde à água. Faz parte dos alimentos sólidos e líquidos. A água é denominada de "solvente universal" pela sua grande capacidade de dissolver um número elevado de substâncias. No entanto, muita gente a consome pura ou crendo ser pura, quimicamente sabe-se que , mesmo sem impurezas, a água é a mistura de 33 substâncias distintas(Richter, Azevedo Netto, 1991). Para aplacar a sede ,dizem, deve ser límpida, incolor, inodora, de sabor "agradável". A água potável , sob o ponto de vista químico deve dissolver o sabão, não apresentar vestígios de metais pesados, não deixar mais de 0,5 g de resíduo seco por litro quando evaporada.

    Deve conter menos de 66 ppm de cloretos, menos de 50 ppm de sulfito, menos de 3ppm de matéria orgânica, menos de 1ppm de NH3, zero de substancias albuminóides. Deverá ter pelo menos de 8 á 12 ppm de oxigênio dissolvido(Santos, 1986).
   A água pouco oxigenada é "‘pesada" .Quando a uma população se proporciona o suprimento de água potável, a mortalidade pela febre tifóide e por outras doenças de veiculação hídrica é sensivelmente reduzida. E, segundo Hazen, "por cada óbito devido á febre tifóide que se evita, são evitados, simultaneamente, 2 a 3 óbitos devidos a outras causas(CRQ/SC).
 

1.1 - Doenças de veiculação hídrica:

    Causas de contaminação das águas de abastecimento público:

  1. Contaminação das bacias hidrográficas pelas atividades do homem
  2. Infiltração de águas poluídas nos poços ou outras águas subterrâneas, etc.
    Segundo a Organização Mundial de Saúde,cerca de 80% de todas as doenças que se alastram nos países em desenvolvimento são provenientes de água de má qualidade.

    As doenças mais comuns de veiculação hídrica, são as seguintes, conforme a Tab.1, abaixo:
 
DOENÇAS AGENTES CAUSADORES
Febre tifóide Salmonella tifóide
Febre paratifóide  salmonella paratifóides
Disenteria bacilar bacilo disentérico
Disenteria amebiana entamoeba histolística
Cólera  vibrião da cólera
Diarréia enterovírus , E. Colli
Hepatite infecciosa vírus, tipo A
Giardiose giardia lamblia
 

1.2  -  Finalidades da purificação da água e principais processos:

    O tratamento da água pode ser feito para cobrir várias finalidades:

  1. HIGIÊNICAS- remoção de bactérias, protozoários, vírus e outros microorganismos, de substâncias venenosas ou nocivas, redução do excesso de impurezas e dos teores elevados de compostos orgânicos;
  2. ESTÉTICAS - correção de cor, odor e sabor;
  3. ECONÔMICAS - redução de corrosividade, dureza, cor, turbidez, ferro, manganês, odor e sabor;
Entre os principais processos de purificação da água, tem-se:
  1. AERAÇÃO- por gravidade, por aspersão, por outros processos ( difusão de ar e aeração forçada);
  2. SEDIMENTAÇÃO OU DECANTAÇÃO - simples; após a coagulação;
  3. COAGULAÇÃO- aplicação de coagulantes (sulfato de alumínio, compostos de ferro) e substâncias auxiliares;
  4. FILTRAÇÃO- lenta, rápida, em leito de contato, superfiltração;
  5. TRATAMENTO POR CONTATO- leitos de coque, de pedra ou de pedriscos para remoção do ferro; carvão ativado para remoção de odor e sabor;
  6. CORREÇÃO DA DUREZA- processo cal-soda( cal + carbonato de sódio), processos por resinas trocadora de íons e por osmose reversa;
  7. DESINFECÇÀO-cloro e seus compostos (hipocloritos, cal clorada), ozônio etc.;
  8. SABOR E ODOR- uso do carvão ativado; substituição do processo de cloração ( emprego da aminocloraçào, do dióxido de cloro e cloração no "break point");
  9. CONTROLE DA CORROSÃO- cal, carbonato de sódio, metafosfato, silicato e outros
1.3 - Propriedade Física da água:

Tab.2. Constantes físicas da água pura(Sutcliffe, 1968)
 
Calor específico ( 15° C)
4,18 J/g ° C
Calor latente de fusão
33,4J/g
Calor latente de vaporização(15° C)
2462J/g
tensão superficial
7340 mN/m2cm
ponto de fusão (1013mb)
0 ° C
ponto de ebulição (1013 mb)
100 ° C
Densidade máxima(g/cm3)
1,00000
Temperatura da densidade máxima(° C)
3,98
 

1.4 -  Características da água:
 

    As impurezas mais comuns contidas numa água, seus estados em que se encontram e seus principais efeitos, estão indicados abaixo:

1.4.1 - Impurezas em suspensão:
 

a. algas e protozoários-podem causar sabor e odor, cor e turbidez;
b. areia, silte e argila causam turbidez;
c. resíduos industriais e domésticos.
 

1.4.2 - Impurezas no estado coloidal:

a.bactérias e vírus- muitos são patogênicos; algumas bactérias podem causar prejuízos as instalações (corrosão, por exemplo); b. substâncias de origem vegetal : originam cor , acidez, sabor;
c.sílica e argila: causam turbidez.
 

1.4.3 -  Impurezas dissolvidas:
 

    Compreende uma grande variedade de substâncias de origem mineral (principalmente sais de cálcio e de magnésio) compostos orgânicos e gases, que dão origem a alterações na qualidade da água, cujos efeitos dependem da sua composição e concentração e de reações químicas com outras substâncias.

    Os principais elementos químicos formadores das substâncias presentes na água na forma de impurezas ou adicinados intecionalmente no tratamento da água estão  na tab.3, abaixo.

Tab. 3     Informações básicas para os  elementos mais comuns:
 
 
Elemento Símbolo Massa atômica No oxidação 
 mais comum
Peso ou massa equivalente
Alumínio Al 27,0 +3 9,0
Cálcio Ca 40,1 +2 20,0
Carbono C 12,0 -4  -
Cloro Cl 35,5 -1 35,5
Enxofre S 32,1 -2 16,0
Ferro  Fe 55,8 +2 
+3
27,9 
18,6
Flúor F 19 -1 19
Fósforo P 31 +5  6
Hidrogênio H 1,0 +1  1,0
Magnésio Mg 24,3 +2 12,2
Manganês Mn 54,9 +2 
+4 
+7
27,5 
13,7 
 7,8
Nitrogênio N 14 -3 
+5
--- 
--- 
Oxigênio O 16,0 -2  8,0
Potássio K 39,1 + 1 39,1
Sódio Na 23 +1 23,0
    A qualidade de uma água é definida por sua composição química, física e bacteriológica. As características desejáveis de uma água dependem de sua utilização. Para o consumo humano há a necessidade de uma água pura e saudável, isto é, livre de matéria suspensa visível,cor, gosto e odor, de quaisquer organismos capazes de provocar enfermidades e de quaisquer substâncias orgânicas ou inorgânicas que possam produzir efeitos fisiológicos prejudiciais.

    As impurezas dissolvidas na água refletem as características do solo por onde as águas escoam, as tabelas 4, e 5, a seguir dão uma idéia do tipo de rochas e minerais mais prováveis de provocarem impurezas dissolvidas na água.
 
 

Tab. 4. Tipos de rochas exposta na superfície da Terra
 
Tipo de Rocha
Área exposta (%)
Xistos
52
Areias e pedriscos
15
Granitos
15
Rocha cálcarea
7
Basaltos
3
Outras
8
Tab.5. Minerais encontrados nos afloramentos da superfície da terra
 
Mineral
Área exposta (%)
Feldspatos
30
Quartzo
28
Argilominerais e micas
18
Calcita
9
Óxido de ferro
4
Outros
11
1.5 - Principais compostos químicos ocorrente nas águas:
 

    As tabelas  6, 7, 8 e 9, contem dados de principais compostos químicos, radicais e íons ocorrente em águas de diversas naturezas.

Tab. 6. Compostos químicos mais comuns contidos na água(intencionalmente ou contaminação):
 
Nome vulgar
Nome químico
Fórmula
Gás amoníaco
Amoníaco
NH3
Amoníaco
Hidróxido de amônio
NH4OH
Alúmen
Sulfato de aluminio
Al2(SO4)3
Calcário
Carbonato de cálcio
CaCO3
 
Bicarbonato de cálcio
Ca(HCO3)2
Cal hidratada
Hidróxido de cálcio
Ca(OH)2
Cal virgem
Oxido de cálcio
CaO
 
Cloro
Cl2
 
Dióxido de cloro
ClO2
Vitríolo azul
Sulfato cúprico
CuSO4
 
Cloreto férrico
FeCl3.6H2O
Acido muriático
Acido clorídrico
HCl
Vitriolo
Acido sulfurico
H2SO4
Barrilha
Carbonato de sódio
Na2CO3
Soda ou bicarbonato
Bicarbonato de sódio
NaHCO3
Fosfato de sódio
Fosfato trissódico
Na3PO4.12H2O
Tab.7.Composição(por peso) de íons da água do Mar(Beer, 1983)
 
Íon
Porcentagem na água do mar
Cloreto (Cl )
55,04
Sódio (Na+ )
30,62
Sulfato (SO4 )
7,68
Magnésio (Mg++)
3,69
Cálcio( Ca++)
1,15
Potássio (K+)
1,10
Bicarbonato (HCO3)
0,41
    Salinidade média da água do mar: 35 g/kg

    Água da chuva: Impurezas principalmente gasosas:

    CO2; SO2; (NOx) alem de Material particulado e névoa marítima

    Reações químicas ocorrente na água da chuva:

    2SO2 + 2H2O ® SO3-- + HSO3- +3 H+;
    O3 + NO2® NO3 + O2;
    HONO2« H+ + NO3-

Tab.8. Radicais comumente encontrados na água comum
 
Nome
fórmula
peso molecular
carga elétrica
peso equivalente
Amoníaco
NH4+
18,0
+1
18
Hidróxido
OH-
17,0
-1
17
Bicarbonato
HCO3-
61,0
-1
61
Carbonato
CO3--
60,0
-2
30,0
Sulfato
SO4--
96,0
-2
48,0
Sulfito
SO3--
80,0
-2
40,0
Nitrito
NO2-
46,0
-1
46,0
Nitrato
NO3-
62,0
-1
62,0 
Hipoclorito
OCl-
51,5
-1
51,5
Tab.9. Análise de um manancial típico de superfície (rios e lagos ) em mg/l
 
Alcalinidade (expressa como CaCO3)
108,0
Alquilbenzeno sulfonato (detergente)
0,1
Arsênio
0,0
Bário
0,0
Bicarbonato
131
Cádmio
0,0
Cálcio
35,8
Compostos orgânicos raros
0,04
Cianeto
0,0
Chumbo
0,0
Cloro
7,1
Ferro e Manganês
0,13
Fenois
0,7
Fósforo (total inorgânico)
0,5
Magnésio
9,9
Nitrato
2,2
pH**
7,6
Potássio
3,9
Sódio
4,6
Sólidos dissolvidos totais
220
Sulfato
26,4
Turbidez**
5
Cor**
1
Odor**
1
 
 

2 - REAÇÕES DA ÁGUA NO MEIO AMBIENTE:
 

    O contato da água com os diferentes tipos de rochas e minerais provoca a solubilização de muitos deles que vão para a "solução aquosa". Este processo é facilitado pela abundância/solubilidade dessas rochas por ser o processo de contato água/rocha um fenômeno de superfície. O processo de intemperismo químico das rochas pela água são processos de dissolução, decomposição e hidratação, principalmente. O ataque pela água é mais pronunciado pela presença de ácidos orgânicos e inorgânicos, bem como pelo aumento da temperatura. A dissolução e precipitação dos minerais e rochas é controlado pelo pH e potencial redox.

    A decomposição dos minerais sob a influência do pH e dos íons H+ e OH- contidos na água denomina-se hidrólise. Os feldspatos contendo mais ou menos 60 % em peso da crosta terrestre e tendo em torno de 80% de sílica, produzem como produtos finais de sua hidrólise os seguintes produtos:
 
 

1. Para o feldspato potássico, teremos,
       KAlSi3O8 + 8H2O ® Al(OH)3 + 3H4SiO4 + K+ +OH-

2.    KAlSi3O8 + 2H+ +9H2O C Al2Si2O5(OH)4 +4 H4SiO4 + 2K+
                                                 caulinita

    O processo acima ocorre em outros minerais e rochas, principalmente silicatos. Para a albita(extremo da série do plagioclásio):

3.   2 NaAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O ® Al2Si2O5(OH)4 4 H4SiO4 + 2Na+
            albita                                               caulinita

    Para anortita(o outro extremo da série do plagioclásio):

      CaAl2Si2O8 + 2H+ + H2O ® Al2Si2O5(OH)4 + Ca++
              anortita                                           caulinita

4.   5 Mg2SiO4 +8H+ +2 H2O ® Mg6(OH)8Si4O10 + 4Mg++ H4SiO4
         olivina(forsterita)                              serpentina

    O contato da água na litosfera, hidrosfera e atmosfera terrestre através de suas diferentes transformações físicas e químicas, é chamado de ciclo hidrológico, conforme a fig.1, a seguir.
 

            Fig.1-ciclo hidrológico da água
 

2.1 - pH e reações químicas:
 

    A água é um composto covalente. Suas moléculas não se ionizam individualmente. Não sendo simétricas, apresentam uma certa polaridade(alta, por sinal). A ionização da água faz-se por interação mútua de duas moléculas de água, assim:

    H20 + H2O Û H3O+ + OH-

    Esta reação de ionização comanda todas as outras em solução aquosa. Na neutralização de um ácido(HCl) por uma base(NaOH):

    HCl + H2O Û H3O+ + Cl-

                    +

    NaOH Û OH- + Na+

                         ß

               2H2O

    Toda solução aquosa contem os íons livres H+(hidrogênio ou hidroxônio) e OH-(hidroxila), sua concentração satisfaz á equação:

{H+}x{OH-} = kw

    Medidas de condutâncias feitas por Kohlrausch para a água pura, na temperatura de 23° C levou a um valor de 10 –14 para kw. A água pura se dissocia a concentrações iguais para H+ e OH-. Então [H+] = [OH-] = 10-7 . Esta concentração é muito pequena, logo,SØrensen(1909), propôs uma notação, para exprimir a concentração hidrogeniônica, denominado p-H:

pH = log 1/[H+]

    Disto resulta que:

    As soluções aquosas ácidas tem um pH < 7 As soluções aquosas básicas tem um pH > 7 As soluções aquosas neutras tem um pH = 7. As substâncias de caráter ácido adicionadas à água abaixam seu pH, enquanto que substâncias de caráter alcalino (bases) aumentam o pH das soluções aquosas.

2.2 - Reações ácido-base (NEUTRALIZAÇÃO):

    À partir de uma reação química, podemos estabelecer uma equação química, tendo como base as fórmulas dos reagentes e produtos e dá o número de moles de cada um. Diz-se que uma equação química está equilibrada quando o número de átomos de cada elemento no lado esquerdo é igual ao número no lado direito. Usando-se uma equação equilibrada, os pesos moleculares podem ser usados para se calcular as quantidades de reagentes e produtos. O processo onde se usa uma equação equilibrada para os cálculos chama-se estequiometria.

2.2.1 HCl Û H+ + Cl-

2.2.2 NaOH Û Na+ + OH-

2.2.3  H+ + OH- Û H2O

2.2.4 H2SO4 + 2 NaOH Û Na2SO4 + 2H2O

Exemplo numérico:
    Quantos quilos de hidróxido de sódio puro são necessários para neutralzar um despejo industrial com uma acidez equivalente a 10 kg de ácido sulfúrico por 1000 m3 de despejo?

Res. Usando a eq.2.2.4:   H2SO4 + 2 NaOH Û Na2SO4 + 2H2O
                                            1 mol    2moles          1mol      2moles
                                                98 kg 2x40 kg

    De acordo com a reação acima, 2 moles de hidróxido neutraliza (equivale) a 1 mol de acido sulfúrico. Em termos de massas ou pesos moleculares,

Se 80 kg de NaOH reage com 98 kg de ácido sulfúrico, quanto vai reagir com 10 kg de acido:

80 kg         ---------------------------------------    98 kg
xNaOH      ---------------------------------------   10 kg H2SO4

x = 8,18 kg de NaOH por 1000 m3 de despejo.

2.3 - Reações de óxido redução:

2.3.1   2 NH3 + 2Cl2 ® N2 + 6HCl

2.3.2   4 Fe + 3O2 ® 2Fe2O3

2.4 - Reações de precipitação:

2.4.1   Ca(HCO3)2+ Ca(OH)2® 2CaCO3 +2 H2O
2.4.2   CaSO4 + Na2CO3 ® CaCO3 + Na2SO4
2.4.3   CaCO3 + H2SO4 ® CaSO4 + H2CO3
2.4.4   Ca(HCO3)2 + H2SO4® CaSO4 + 2 H2CO3
2.4.5   CaO + CaH(CO3)2 ®2CaCO3 + H2O
2.4.6   Ca(OCl)2 + Na2CO3® 2NaOCl + CaCO3
2.4.7   CaCO3 + H2CO3 ® CaH(CO3)2
2.4.8   Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2® 2CaCO3 + 2H2O
2.4.9   Ca(HCO3) + Na2CO3® CaCO3 + 2NaHCO3

Exemplo numérico:
    No abrandamento de água por precipitação, cal é usada para remover a dureza carbonato por meio da reação(e):

CaO + CaH(CO3)2 ®2CaCO3 + H2O

    Que dose de cal, com pureza de 78 % de CaO, é necessaria para combinar com 70 mg/l de Cálcio?

Res.
        Aplicando a reação (e), anterior, temos que:

                        CaO  + CaH(CO3)2 ®2CaCO3 + H2O
                         56,1      162

         Um mol de CaH(CO3)2 (162g) contem 40,1g de Cálcio. Assim, 70 mg/l de cálcio é equivalente a:

                       162  . 70  = 283 mg/l de CaH(CO3)2
                      40,1
 

         56,1 g de CaO combinam com 162 g de CaH(CO3)2 . Assim ,283 mg/l de CaH(CO3)2 reagem com

                        56 ,1 .283  = 98,0 mg/l de CaO.
                        162

        Para uma pureza de 78 %, a dosagem de cal comercial necessária será:
 

                        98, 0 CaO   =  126 mg/l  = 126 g/m3.
                        0,78
 

3  - CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA ÁGUA

3.1 - Turbidez:

    Este é termo aplicado à matéria suspensa de qualquer natureza presente na água. Distinção deve ser feita entre a matéria suspensa chamada sedimento que precipita rapidamente ,e a matéria suspensa que precipita lentamente (coloidal) que provoca a turbidez. A turbidez é uma característica da água devido à presença de partículas suspensas na água com tamanho variando desde suspensões grosseiras aos colóides, dependendo do grau de turbulência. A presença de partículas insolúveis do solo, matéria orgânica, microorganismos e outros materiais diversos  provoca a dispersão e a absorção da luz, dando à água um aparência nebulosa,esteticamente indesejável e potencialmente perigosa, turbidez  acima de 5 ppm , torna a água insatisfatória para potabilidade. A unidade da turbidez é dada em ppm de SiO2(mg/l). .
     A turbidez é encontrada em quase todas as águas de superfície em valores elevados, enquanto esta ausente em águas subterrâneas. Em águas de superfície a turbidez pode atingir valores de até 2000 ppm, como SiO2 , ou mais. Águas de rios e riachos apresentam alta turbidez.
 
 

3.2 -  Cor:

A água pura é virtualmente ausente de cor. A presença de substâncias dissolvidas ou em suspensão, dependendo da quantidade e da natureza do material presente. Matéria orgânica , proveniente de vegetais(húmus, taninos) em decomposição, quase sempre resulta em cor nas águas. Pode ser causada também por minerais naturais de ferro e manganês. Despejos industriais(mineração, papel e celulose, alimentos) na água em geral causam cor. Em combinação com o ferro, a matéria orgânica pode produzir cor de elevada intensidade.
As águas subterrâneas são isentas de cor. As unidades de cor são dadas em unidades arbitrarias(dada pelo colorimetro).

3.3  -  Sabor e odor:

As características de sabor e odor são dadas em conjunto, pois geralmente a sensação de sabor origina-se do odor. São de difícil avaliação, por serem sensações subjetivas.
 

3.4  -  Temperatura:

    A temperatura acelera as reações químicas, reduz a solubilidade dos gases, acentua a sensação de sabor e odor etc.

3.5  -  Condutividade elétrica:

    A condutividade elétrica depende da quantidade de sais dissolvidos na água e é aproximadamente proporcional à sua quantidade. Sua determinação permite obter uma estimativa rápida do conteúdo de sólidos de uma amostra.
 

4   -  CARACTERÍSTICAS QUIMICAS DA ÁGUA:

4.1  -  Alcalinidade das águas:

    Alcalinidade de uma água é uma medida da sua capacidade de neutralizar ácidos ou absorver íons hidrogênio sem mudança significativa do pH. As principais fontes de alcalinidade em águas são pela ordem: Bicarbonatos(HCO3- ), carbonatos (CO3--) e hidróxidos(OH-). A alcalinidade devida a bicarbonatos de Ca, Mg e Na é muito comum em águas naturais, cujas concentrações em águas brutas variam de 10 a 30 ppm. Os bicarbonatos de Ca e Mg também causam dureza(temporária). Os bicarbonatos tem, ainda, o inconveniente de liberar CO2, quando submetidos ao calor nas caldeiras.
    O CO2 dissolvido nas águas a torna altamente corrosiva. Para fins potáveis a alcalinidade não deve exceder a 250 ppm.

4.2 -  Matéria orgânica:

    A matéria orgânica biodegradável é encontrada de mais comumente nas chamadas "águas poluídas", principalmente contaminadas com descargas oriundas de esgotos ditos "domésticos", esta podendo ser formada principalmente de carboidratos, proteínas e gorduras. Os carboidratos consistem de açúcares contendo os elementos, carbono, Oxigênio e hidrogênio. Ex. glicose, frutose., são os chamados açúcares simples, encontrados em frutos. Os dissacarídeos mais comuns são a sacarose(da cana, da beterraba, etc) e a , lactose, encontrada no leite. No entanto, os vegetais são formados essencialmente de açúcares complexos, formadores dos constituintes predominantes do caule, folha e raízes das plantas, sobretudo a celulose, hemiceluloses e, em menor escala do amido.

    As proteínas são moléculas poliméricas formadas por unidades denominadas de aminoácidos. Elas contem os elementos carbono, oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e, em menor escala, de enxofre. Elas formam parte essencial dos tecidos vivo de todos seres superiores; os animais são constituídos, principalmente de proteínas. As gorduras poderão ser compostas de uma série de substâncias orgânicas, a maioria delas de solubilidade limitada na água, sendo, no entanto, solúveis em diversos solventes orgânicos como álcool, acetona, éter e hexano e hidrocarbonetos. A baixa solubilidade delas em água as torna de difícil biodegradabilidade pelos microorganismos, ou à um velocidade baixa.

    A maioria dos carboidratos, gorduras e proteínas encontradas nos esgotos está na forma de grandes moléculas que não podem penetrar na membrana celular dos m.o.s. As bactérias, para metabolizarem substâncias de alto peso molecular, devem ser capazes de quebrar essas grande moléculas. O primeiro passo na decomposição bacteriológica dos compostos orgânicos é a hidrólise, dos carboidratos em açúcares solúveis, proteínas em aminoácidos, e gorduras em ácidos graxos. Em seqüência a degradação aeróbia resulta na formação de CO2 e água. Pela decomposição anaeróbia, os produtos finais são: ácidos orgânicos, álcoois e outros líquidos intermediários , alem de CO2, CH4, e H2S.
    Acetona, éter e hexano e hidrocarbonetos. A baixa solubilidade delas em água as torna de difícil biodegradabilidade pelos microorganismos, ou à um velocidade baixa.

4.3  -  Dureza:

    Proveniente dos sais de Ca e Mg. Nas formas de: Bicarbonatos, sulfatos, cloretos e nitratos. Os íons ferro e estroncio podem em menor grau causar a dureza. A dureza é expressa em termos de CaCO3
    No Brasil a dureza das água naturais varia de 5 até 500 ppm como CaCO3.

4.4   -  Silica:

    Está presente na faixa de 3 a 50 ppm como SiO2. É um constituinte de todas as águas naturais.
    A sílica solúvel também chamada de reativa, geralmente está presente em águas brutas na forma de ácido silícico e silicatos solúveis, cuja concentração pode variar desde 2 a mais de 100 ppm. A sílica solúvel para fins potáveis não é objetável.

4.5  -  Ferro e manganês:

    O ferro, muitas vezes associado ao manganês, confere à água um sabor amargo adstringente e coloração amarelada e turva,decorrente da precipitação do mesmo quando oxidado. A forma mais comum que o ferro solúvel é encontrado em águas é como bicarbonato ferroso Fe(HCO3)2. Está presente, nesta forma em águas subterrâneas profundas, limpas e incolores, que em contato com o ar, oxida-se turvando e sedimenta na forma de um depósito marrom- avermelhado. A reação envolvida é a seguinte:
 

4 Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O®    4 Fe(OH)3 + 8CO2

4 Fe(OH)3         ®     2Fe2O3 + 6H2O
 

4.6  -  Sólidos totais dissolvidos (Cloretos, Sulfatos, etc):

    O conjunto de sais dissolvidos na água (cloretos, bicarbonatos, sulfatos e outros em menor proporção) formam o conjuntos dos sólidos dissolvidos totais na água. Eles podem conferir sabor salino à água e propriedades laxativas. O teor de cloretos é um indicador de poluição das águas naturais por esgotos domésticos. O limite máximo de cloretos em águas para consumo humano não deve ultrapassar os 200 mg/l (200 ppm).
    O íon sulfato possui propriedades laxativas maior do que a dos outros sais; o sulfato associado ao cálcio, promove dureza permanente, sendo também indicador de poluição por decomposição da matéria orgânica, no ciclo do enxofre. Numerosas águas residuárias industriais, como as provenientes de curtumes, fábricas de celulose, papel e tecelagem, lançam sulfatos nos corpos receptores. Recomenda-se que o teor de sólidos dissolvidos totais seja menor que 500 mg/l, com um limite máximo aceitável de 1000 mg/l.

4.7  -  Oxigênio dissolvido:
 

  O conteúdo de oxigênio dissolvido nas águas superficiais depende da quantidade e tipo de matéria orgânica biodegradável que a água contenha. A quantidade de O2 que a água pode conter é pequena, devido à sua baixa solubilidade   (9,1 ppm a 20 oC).
Águas de superfície, relativamente límpidas, apresentam se saturadas de oxigênio dissolvido, porém este  pode ser rapidamente consumido pela demanda de oxigênio dos esgotos domésticos.
 

4.8  -   Demanda de oxigênio:

A maioria dos compostos orgânicos são instáveis e podem ser oxidados biológica e quimicamente, resultando compostos finais mais estáveis como o CO2, NO3 e H2. A matéria orgânica tem, assim, uma certa necessidade de oxigênio, denominada demanda, que pode ser:

1. Demanda bioquímica de oxigênio (DBO) : é a medida da quantidade de oxigênio necessária ao metabolismo das bactérias aeróbicas que destroem a matéria orgânica.

2. Demanda química de oxigênio (DQO): permite a avaliação da carga de poluição por esgotos domésticos e industriais em termos de quantidade de oxigênio necessária para a sua oxidação total em dióxido de carbono(CO2 ) e água.

4.9   -  Acidez:

    A maioria das águas naturais e dos esgotos domésticos são tamponados por um sistema por dióxido de carbono e bicarbonatos(HCO3- ). O ácido carbônico não é totalmente neutralizado, a não ser que o p-H seja superior a 8,2 e não diminuirá a p-H abaixo de 4,5. Assim, a acidez devida ao CO2 está na faixa de p-H de 4,5 a 8,2, enquanto que a acidez por ácidos minerais fortes, quase sempre devida a esgotos industriais, ocorre geralmente a p-H, abaixo de 4,5. A acidez é expressa em termos de ppm (mg/l) de CaCO3.

4.10  - Substâncias químicas orgânicas indesejáveis e metais tóxicos:

    Podem incluir os fenóis e detergentes,estes causadores de espuma e de difícil biodegradabilidade. O fenol alem de tóxico, pode combinar com o cloro residual do tratamento da água causando gosto e odor desagradáveis.
    Os pesticidas são, de um modo geral, substâncias orgânicas sintéticas, extremamente tóxicas, usadas para destruir, repelir ou controlar insetos e ervas daninhas indesejáveis à economia agrícola. De acordo com sua atividade biológica, podem ser classificados em inseticidas, algicidas, fungicidas e herbicidas. Os mais comuns são o Aldrin, Endrin, Toxafen, Malathion, Parathion, entre outros. Por exemplo, a concentração máxima do Endrin, não deve ser mais do que 0,0002 mg/l, índice de difícil monitoração( Richter, Azevedo Netto,1991).
    Os metais tóxicos principais são o Arsênio, sendo ele muito solúvel em água podendo ocorrer naturalmente, principalmente em rochas fosfáticas. O Arsênio pode fazer parte da composição de alguns inseticidas, carrapaticidas, herbicidas, alem do processamento de minerais, fabricação de tintas, produtos quimicos, vidro, corantes e resíduos de curtume. Seu limite máximo  é de 0,2 mg/l.
    Cromo hexavalente, estão na forma de cromatos, bicromatos de sódio, potássio e amônio, sendo bastante solúveis. As águas residuarias de indútrias de cromação, anodização do alumínio, fabricação de tintas, corantes, explosivos, cerâmica, são fonte de cromo hexavalente. Os sais de cromo deverão ter concentração máxima permissível de 3,5 ppm.
 

5  -  CARACTERÍSTICAS BIOLOGICAS DA AGUA.

    Incluem as contaminações por organismos vegetais como algas (verdes, azuis, diatomáceas), bactérias (saprofitas e patogênicas), leveduras, fungos e vírus. Os organismos animais estão representados pelos protozoários e vermes.

5.1   -   Contagem do número total de bactérias:

    É feito pela contagem do número de bactérias por cm3 ou ml da água. Um número elevado é indicativo de poluição.

5.2    -  Pesquisa de coliformes:

    Os coliformes (Escherichia Colli e Enterococos) são bactérias que habitam os intestinos dos animais superiores de sangue quente (homem, bovinos, suinos, caprinos, etc.), em número em torno de 50 mihões por grama de excremento in natura. Esgotos domésticos bruto contem em média de 3 milhões de coliformes por 100 ml de amostra. O número mais provável de coliformes(NMP) é expresso pelo número de coliformes contidos em 100 ml da amostra de água. Água de abastecimento público deverá ter NMP, no máximo de 1.
    O NMP  é um indicador eficaz no controle da qualidade do tratamento da água do ponto de vista bacteriológico, para prevenir doenças de transmissão hídrica.

5.3 - Gases diversos:

Os gases presentes são: CO2; O2; H2S; CH4.

6  - TRATAMENTO DA ÁGUA:
 

6.1   -  Introdução:

    O objetivo do tratamento d’água é fornecer um produto potável – química e bacteriologicamente seguro para o consumo humano. Para usos domésticos, a água deve ser esteticamente aceitável – sem turbidez aparente, cor, odor ou gosto objetável. Os padrões de qualidade, para uso industrial são mais severos do que para uso doméstico. Ex. a água para alimentação de caldeiras deve ser desmineralizada para evitar a deposição.
    Os mananciais das cidades, são poços profundos, poços rasos, rios, lagos naturais e artificiais(barragens).
    Características da água de poços: temperatura baixa, não contaminada e com qualidade uniforme.
    A produção de água potável à partir de uma fonte de água com impurezas introduzidas naturalmente ou pela atividade humana, implica numa série de tratamentos. Um dos pontos de partida na obtenção de água de abastecimento é a coagulação, floculação e sedimentação das impurezas, seguida da filtração e precipitação química. A precipitação química elimina uma parte da dureza e minerais dissolvidos(Fe e Mn).Esta ação conjunta se denomina clarificação. A coagulação seguida da filtração, é um processo que se aplica na eliminação da maioria das substâncias que provocam turbidez à água. Estas podendo serem de natureza inorgânica ou orgânica, microrganismos(bactérias, fungos e algas) e material inorgânico em suspensão.
    O tratamento para uso doméstico necessário pode ser apenas a remoção de gases dissolvidos e minerais indesejáveis, seguida de desinfecção e fluoretação. A necessidade de cloração no caso de poços profundos é para prevenir uma proteção residual contra uma contaminação potencial no sistema de distribuição. No caso de poços rasos, recarregados de águas superficiais, a cloração desinfeta a água e, ainda fornece a proteção residual. O flúor é adicionado para diminuir a incidência de cárie dental. O ferro e o manganês dissolvidos, presentes nas águas de poços, se oxidam em contato com o ar, formando minúsculas partículas de ferrugem que provocam cor na água. A remoção da ferrugem pode ser efetuada por oxidação do Fe e Mn com cloro ou permanganato, seguida de filtração. Caso haja dureza em excesso, ela pode ser removida por abrandamento com adição de cal e soda, seguida de filtração. A aeração é um passo inicial comum no tratamento de águas subterrâneas, para a remoção de gases dissolvidos e adição de O2.
    A tabela 10, a seguir, contem os dados de análises de água bruta e de águas submetidas a diferentes tipos de tratamentos. Esta tabela permite uma visão panorâmica do grau de remoção das impurezas da água bruta proporcionada pelos diversos tratamentos da água.

Tab.10. Análises típica de água bruta e água tratada por diversas técnicas.
 
Substancia
Unidade de medida
Água bruta
Clarificada e filtrada
Abrandada com cal hidratada e filtrada
Clarificada, filtrada e abrandada com resina sódica
Clarificada, filtrada e desmineralizada
Cátions 
Cálcio 
Magnésio 
Sódio 
Potássio 

Cátions totais

 
CaCO3 
CaCO3 
CaCO3 
CaCO3 
 
CaCO3
 
51,5 
19,5 
 18,6 
1,8 
 
91,4
 
51,5 
19,5 
 18,6 
1,8 
 
91,4
 
38,7 
17,5 
 18,6 
1,8 
 
76,6
 
1,0 
1,0 
 87,6 
1,8 
 
91,4
 
0 
0 
 1-2 
0 
 
1-2
Ânions 
Bicarbonato 
Carbonato 
Hidróxido 
Sulfato 
Cloreto 
 
Nitrato 
 
Ânions totais 
Ferro 
Sílica 
Cor 
Turbidez 
pH 
CaCO3 
CaCO3 
CaCO3 
CaCO3 
CaCO3 
CaCO3 
 
CaCO3 
  
CaCO3 
Fe 
SiO2 
arbitrária 
SiO2 
pH
 
 56,8 
0 
0 
21,8 
12,0 
 
0,8 
   
91,4 
0,16 
9,0 
15,0 
100,0 
6,5-7,5 
  
47,8 
0 
0 
 30,8 
12,0 
 
0,8 
 
   91,4 
nulo 
9,0 
2-5 
0-2 
6,0-8,0
  
0 
 33 
0 
30,8 
12,0 
 
0,8 
  
76,6 
nulo 
 9,0 
2-5 
0-2 
9,0-11,0
 
 47,8 
0 
0 
30,8 
12,0 
 
0,8 
 
 91,4 
nulo 
9,0 
nula 
nulo 
6,0-8,0
 
 0 
 0 
1-2 
0 
0 
 
0 
  
1-2 
nulo 
 0,01 
nula 
nulo 
7,0-9,0 
    A tabela 11, a seguir, contem os principais requisitos para uma "água potável ideal", de acordo com os padrões de potabilidade.

Tab. 11. Água potável ideal(Davino Santos
 
Turbidez (Como SiO2)
5 ppm (máximo)
Odor
Isenta
Cor
0
Ferro(Fe++)
0 ppm
Sulfatos, (SO4- -);Cloretos (Cl-); 

Bicarbonatos (HCO3-)

250 ppm (máximo)
Dureza (CaCO3)
85 ppm (máximo)
Fluoretos (F-)
0,8 ppm
PH
7,0
NMP coli/100 ml
0
Agressividade ao ferro
mínima
6.1.1  -  A POLUIÇÃO E A EUTROFIZAÇÃO:

    São ocorrências que causam as principais preocupações nos mananciais. A qualidade da água vai depender dos métodos usados na agricultura local, da deposição das descargas dos esgotos municipais e industriais, do aproveitamento de rios , principalmente, construção de barragens, das estações do ano e das condições climáticas.

6.2   -  Processo primário do tratamento de águas:

    O objetivo da operação de um sistema de abastecimento de água é processar a água a um nível seguro de potabilidade.
    O processo primário, no tratamento de águas superficiais, consiste na clarificação química através da coagulação, decantação e filtração. A purificação natural resulta na redução dada turbidez, bactérias coliformes ,cor. Por outro lado, o desenvolvimento de algas pode causar aumento na turbidez e pode produzir gostos odores de difícil remoção.
    As substâncias químicas usadas na coagulação dependem das características da água e de considerações econômicas. Os mananciais superficiais de rios, normalmente requerem um processo de tratamento mais extenso, com grande flexibilidade operacional, devido às variações diárias da água bruta. A operação preliminar é freqüentemente a pre-decantação, para reduzir o teor de limo(silte) e matéria orgânica decantável, anteriormente ao tratamento químico.
    As duas principais origens de resíduos no processamento da água, são o lodo dos decantadores, resultante da coagulação química ou abrandamento, e a água de lavagem dos filtros. Hoje em dia, a qualidade da água é degradada pela captação de uma fonte de água, e as substâncias químicas usadas no tratamento introduzem novos poluentes.

6.2.1  -  Sólidos suspensos:

    Todas as partículas insolúveis em água são considerados sólidos suspensos. O tempo de sedimentação dessas partículas é alto , o quadro1, a seguir , mostra o tempo médio para a sedimentação de algumas impurezas contidas na água
 

Quadro1:
 
Sólidos suspensos Tempo para decantação 
Areia grossa Segundos
Areia fina Minutos
Barro Horas
Partícula de caulinita (argila) anos
    As partículas suspensas demoram para decantar devido à sua faixa de tamanho(inferior a 10 mícrons) e à sua carga superficial negativa.
    As partículas possuindo o tamanho médio dentro da faixa coloidal e carga elétrica, podem formar um sistema estável na água ficando em suspensão por um tempo considerável. A ação a ser tomada na clarificação é a de romper com a estabilidade da suspensão. Isto é feito no sentido de eliminação das cargas das partículas e também provocar a ação simultânea do aumento do tamanho das partículas.
Considerando as partículas como esféricas e tendo um diâmetro médio, tem-se a expressão para a velocidade de sedimentação:

            V = D2(rs-rl)g/18m

    Onde:  D     (diâmetro da partícula)
               V     (velocidade terminal em queda livre)
            rs     (densidade da partícula)
                rl      (densidade do fluído)
            g      (aceleração da gravidade)
          m                                                                                     ...  (viscosidade do fluído)

    Esta equação é valida para escoamento laminar e para partículas supostas esféricas(lei de Stokes).

    A tabela 12, seguinte mostra o efeito do tamanho na sedimentação de partículas esféricas em água.
 

Tab. 12. efeito do tamanho decrescente das esferas na sedimentação
 
Diâmetro da partículas, mm
Ordem de tamanho
Área específica total
Tempo necessário para a sedimentação
10
Cascalho
3,142 cm2
0,3 s
1
Areia grossa
31,42 cm2
3,0 s
0,1
Areia fina
314,2 cm2
38 s
0,01
Limo(silte)
0,31 m2
33min
0,001
Bactérias 
3,14 m2
55 horas
0,0001
Partículas coloidais
3,17 m2
230 dias
0,00001
Partículas coloidais
2.833 m2
6,3 anos
0,000001
Partículas "coloidais 
28.328 m2
Mais de 63 anos
 

Fonte: Control de calidad y tratamiento deJ agua (AWWA, 1975)6.3  - Decantação:

    A decantação ou clarificação é a remoção das partículas da suspensão pela ação da gravidade. Critérios para a o dimensionamento do decantador: Tempo de retenção, vazão superficial de agua, velocidade horizontal do fluxo de água.
    O tempo de retenção(t), expresso em horas, é calculado dividindo-se o volume do tanque(V) pela vazão média diária(Q):

                        t = V. 24/Q (1)

    A vazão superficial(Vo ) é igual à vazão média diária(Q) dividida pela área superficial total do tanque de decantação(A):

                       Vo = Q/A

    A maioria dos decantadores utilizados no tratamento de água são de fluxo ascendente, onde a água flui verticalmente, descarregando em canais efluentes.
    Os decantadores podem ser retangulares, circulares ou quadrados. São projetados para que ocorra um movimento lento da água. Geralmente contem chicanas para dirigir o fluxo verticalmente para calhas coletoras.
    Os raspadores inferiores, do tipo corrente sem fim, movem vagarosamente os sólidos decantados para um poço de lodo, situado na extremidade a montante.

6.4  -  Floculadores - decantadores:

    Os decantadores-floculadores, ou unidades de contato ou tanques de fluxo ascendente, combinam os processos de mistura, floculação e decantação num único tanque compartimentado.
    Os coagulantes, ou substâncias químicas para abrandamento, são introduzidos na tubulação afluente e se misturam à água sobre um cone central, onde uma alta concentração de flocos é mantida. A água ao passar sob o cone é dirigida através de um lençol que se localiza no fundo do tanque, para promover o desenvolvimento desse conglomerado de partículas. A água sobe à zona periférica de clarificação e extravasa em vertedouros periféricos ou em calhas circulares concêntricas, localizadas na superfície.

6.5  -  FILTRAÇÃO:

    A filtração é a passagem de um fluido através de um meio poroso, neste processo o material em suspensão e coloidal pode ser retido no meio filtrante(meio poroso). Na purificação da água
    O filtro de areia rápido por gravidade é o tipo mais utilizado no tratamento de água para a remoção de flocos não- decantáveis remanescentes, após a coagulação química e decantação. Durante a filtração, a água passa de cima para baixo, através do filtro, devido a uma combinação da pressão da água somada à sucção do fundo. Os filtros são limpos por lavagem contra-corrente(revertendo-se o fluxo) do leito. O efluente dos decantadores, aplicado aos filtros, percola pelo leito e o sistema de drenagem do fundo conduz a água filtrada ao reservatório, geralmente localizado sob os filtros. A coluna de água sobre a superfície do filtro se situa entre 0,90 a 1,20 metro. A carga disponível para filtração máxima é igual a diferença entre a elevação da superfície da água, no filtro, e o nível do reservatório de água filtrada. Normalmente essa carga se situa entre2,7m a 3,7 metro.

6.5.1  -  Meio filtrante:

    A filtração ótima ocorre quando os flocos coagulados não decantáveis são retidos nos poros do leito e produzem a filtração ao longo da profundidade do meio. Um meio filtrante ideal possui as seguintes características: possui diâmetro suficientemente grande para formar poros de dimensão capazes de reter grandes quantidades de flocos, possui diâmetro suficientemente pequeno para evitar a passagem de sólidos em suspensão; possui profundidade adequada para permitir corridas de filtração suficientemente longas.
    Um meio duplo de areia-carvão permite o uso de carvão relativamente graúdo sobre uma camada de areia fina, geralmente , com profundidade de 300mm. A camada superior de carvão do tipo antracito apresenta vazios de 20 % maiores do que a areia, provendo assim, um meio que passa de grosso para fino na direção do fluxo. Os flocos maiores são absorvidos e retidos na camada de carvão, enquanto que o material mais fino é retido na camada de areia. Consequentemente, o leito apresenta uma profundidade efetiva de filtração maior, evitando a colmatação prematura.

6.6  -   Clarificação:

    A clarificação pode ser definida como sendo a remoção da matéria finamente dividida e em suspensão em uma água. A clarificação quando necessária é o primeiro passo a ser dado em qualquer tratamento de água. A ela, sucede outros tipos de tratamento mais sofisticados, como remoção de ferro, manganês, amônia ou remoção da dureza, da alcalinidade, do oxigênio dissolvido e de gás carbônico, destilação, desmineralização etc. Normalmente na clarificação, existe uma etapa preliminar de pré-decantação com a finalidade de reduzir o teor de silte e matéria orgânica decantável, anterior à adição de produtos químicos. A clarificação de modo geral compreende quatro etapas:
 

6.7  -  Coagulação:

    A coagulação exige a adição e mistura rápida de um produto químico(coagulante) à água a ser tratada. A reação química resultante neutraliza as cargas das partículas coloidais e forma um precipitado(flocos) para a remoção subsequente. O mecanismo da coagulação consiste em alterar a carga das partículas(neutralização), provocando a aglutinação das mesmas, formando aglomerados maiores, tendo como conseqüência um aumento na velocidade de sedimentação do conjunto das partículas (flocos). A carga negativa das partículas é causada por uma camada fixa de ânions, seguida de uma camada fixa de cátions e ânions. A predominância de ânions na estrutura resulta na carga negativa. A neutralização das cargas negativas pode ser efetuada pela adição de substancias que possuam cátions polivalentes, estes substituem os monovalentes da estrutura da partícula, havendo como conseqüência a neutralização das cargas, diminuindo o potencial zeta, favorecendo a junção das partículas.
    Esquematicamente, temos: O sulfato de alumínio(alumem), sulfato ferroso, cloreto férrico e sulfato férrico reagem com a alcalinidade natural da água , ou adicionada, para formar polímeros como o hidróxido de alumínio, ou hidróxidos de ferro, de acordo com as reações:

  1. reações com a alcalinidade natural
          Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)®2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 + 18H2O

    b. reações com a alcalinidade adicionada

   1.    Al2(SO4)3 + 3Na2CO3 + 4H2®  2Al(OH)3 + 3Na2SO4 + 3CO2 + H2O
   2.     3Ca(HCO3)2 ®    3CaSO4 + 2Al(OH)3 +18H2O
   3.    3Al2(SO4)3 + 3CaCO3 + 3H2O ® Al2(OH)6 + 3CaSO4 + 3CO2
   4.    CO2 + H2O ® H2CO3

    A floculação consiste na reunião de vários flocos pequeno, mediante agitação lenta. A água floculada passa então para a fase de sedimentação.

6.8  - Cloração  (pré e pós):

    No tratamento de água as funções do cloro tem como objetivos:

    1.como desinfetante, para destruir ou atenuar os microorganismos;
    2.como oxidante, para modificar o caráter químico de diversas substâncias contidas na água.
    3.como oxidante e desinfetante de modo simultâneo.

    É, comumente, o primeiro e último passo no tratamento, provendo desinfecção da água bruta e estabelecendo o residual de cloro na água tratada. A pré-cloração em excesso e o carvão ativado são usados para remover os compostos que produzem odores e gosto.
    A cloração é a injeção de um produto químico clorado, altamente oxidante à água. A finalidade desta operação é oxidar diversas impurezas contidas na água. A cloração é usada no tratamento de água para efetuar a desinfecção, visando a destruição de microorganismos patogênicos, controle dos microorganismos e para a oxidação. Como agente oxidante é usado na remoção de ferro e manganês, destruição de compostos causadores de gosto e odor, e na eliminação do N2 amoniacal.

6.8.1  -  Química do cloro:

    O cloro é mais pesado do que o ar. Possui cor verde-amarelo, é um gás tóxico.
    O cloro em reação com a água tende a abaixar o pH desta, enquanto os hipocloritos tendem a aumentá-lo.
    É um agente oxidante forte; reagindo com uma grande numero de substâncias. O cloro líquido é extremamente corrosivo, as tubulações deverão ser de materiais resistentes à corrosão. O seu vapor irrita o sistema respiratório, podendo causar acidentes se houver exposição prolongada ao mesmo. Os hipocloritos são sais do ácido hipocloroso (HOCl). A forma mais utilizada é a do Hipoclorito de Cálcio (Ca(OCl)2. O Ca(OCl)2 contem cerca de 70% de cloro disponível. O hipoclorito de sódio (NaOCl), normalmente está disponível no mercado na forma líquida (água sanitária), tendo concentração entre 5 e 15% de cloro disponível. A maioria das estações de tratamento de água utiliza o cloro liquido(ou gasoso) por ser mais econômico. Os hipocloritos são mais utilizados no tratamento de água de piscinas e pequenas estações de tratamento.
    O cloro se combina com a água, formando o HOCl(acido hipocloroso), o qual se ioniza para íon hipoclorito.
    Abaixo de pH = 4, a maior parte do HOCl permanece não-ionizada, enquanto acima de pH 8, a maior parte se encontra na forma de OCl- .
    Adicionado à água, o cloro forma uma mistura de ácido hipocloroso e ácido clorídrico. Na temperatura ambiente, esta reação leva apenas alguns segundos para se completar. Em soluções diluídas, em pH acima de faixa de 4,0, a reação se desloca completamente para a direita, existindo no equilíbrio uma quantidade muito pequena de Cl2. A ação desinfetante do cloro é reputada ao acido hipocloroso formado.
    O ácido hipocloroso se dissocia para formar o íon hipoclorito( OCl-) e íons hidroxônio. Esta reação é reversível, e, o seu sentido vai depender do pH e da temperatura.

                HOCl Û H+ + OCl-

    Em pH abaixo de 6.0, a reação acima está deslocada para a esquerda, significando que a ação desinfetante é mais efetiva. Entre pH 6.0 e 8.5 o ácido hipocloroso passa de um estado pouco dissociado até uma completa dissociação. Para um pH de 7,8, predomina completamente o íon hipoclorito (OCl-). Normalmente a faixa de pH das águas de abastecimento, o cloro vai estar na forma de ácido hipocloroso e íon hipoclorito.

                Cl2 + H2O ® HCl + HOCl Û H+ + OCl-

    Os hipocloritos adicionados à água formam o íon hipoclorito diretamente

            Ca(OCl)2 + H2O ® Ca++ + 2OCl- + H2O

    O cloro existente na água, como ácido hipocloroso e íon hipoclorito, é definido como cloro livre disponível.
    O cloro reage rapidamente com compostos amoniacais contidos na água, formando as cloraminas

            HOCl + NH3 ® H2O + NH2Cl (monocloroamina)
            HOCl + NH2Cl ® NHCl2 + H2O(dicloroamina)
            NHCl2 + HOCl ® NCl3 + H2O(tricloroamina).

    Os produtos da reação dependem do pH, da temperatura, do tempo e da razão inicial entre cloro e amônia.
    O cloro combinado quimicamente com o nitrogênio amoniacal, ou compostos nitrogenados orgânicos(proteínas e amino-ácidos) é denominado cloro combinado disponível.
    Os residuais de cloramina declinam a um valor mínimo conhecido como "breakpoint". Dosagens em excesso alem do breakpoint produzem residuais de cloro livre. A curva de breakpoint é particular para cada água testada, pois a demanda de cloro depende da concentração de amônia, presença de outros agentes redutores, período de contato entre a aplicação de cloro e o teste de residual, e outros fatores.
    Desinfeção a aplicação mais comum da cloração é a desinfecção da água potável, visando a destruição de microorganismos causadores de doenças. A ação bactericida do cloro resulta da reação química entre o HOCl e a estrutura celular da bactéria ou vírus. A taxa de desinfecção depende da concentração e forma residual do cloro disponível, período de contato, pH, temperatura e outros fatores. O HClO é mais eficiente do que o íon hipoclorito(OCl-) , assim o poder de residual livre de cloro decresce com o aumento do pH. A ação bactericida do cloro combinado disponível é significativamente menor que o do cloro residual livre. A pratica atual da desinfecção é baseada no estabelecimento de um dado residual de cloro durante o tratamento e, depois, manter um outro valor adequado até atingir o consumidor. Assim, a maior parte de qualidade da água tratada se resume na determinação do residual de cloro no sistema de distribuição.
    A desinfecção é o objetivo principal, mais corrente da cloração. Cloração e desinfecção atualmente podem ser usados como sinônimos; apesar do cloro poder ser usado com outras finalidades.
    Como regra geral, a cloração é desistimulada à medida que o pH aumenta; por outro lado o aumento da temperatura faz aumentar a velocidade das reações de cloração.
   Outras reações do cloro com a água:

                H2S + 4Cl2 + 4H2O ® H2SO4 + 8HCl

    O cloro também oxida compostos de ferro e manganês. Para haver uma oxidação destes compostos o pH deve estar acima de 7,0 e o cloro deve estar na forma de um residual livre. A ação das cloraminas sobre o H2S, ferro e manganês é mínima.
        Os residuais de cloro mínimo(*) recomendados para ação bactericida são listados na Tab. 13. seguinte:

Tab. 13. residuais de cloro:
 
pH Residual mínimo de cloro livre disponível após 10 minutos de contato (mg/l) Residual mínimo de cloro combinado disponível após 60 min. de contato(mg/l)
6,0
0,2
1,0
7,0
0,2
1,5
8,0
0,4
1,8
9,0
0,8
> 3
10,0
0,8
> 3
*temperatura da água: 20-25 C° .

    Somente o HClO não dissociado é considerado um agente antivírus eficiente. A cloração no break-point pode ser usada como passo inicial no tratamento, estabelecendo e retendo um residual de cloro livre ao longo do processo de tratamento. A cloração da água é efetuada usando-se os residuais livre e combinado. O último envolve a aplicação de cloro para produzir cloramina com amônia natural ou adicionada. Embora o residual combinado seja muito menos eficiente como desinfetante do que o livre, sua aplicação mais comum se da no pós-tratamento, seguindo a cloração com residual livre, a qual fornece a desinfecção inicial. As cloraminas provém e mantém um residual estável ao longo do sistema de distribuição. A cloração no breakpoint das águas superficiais, pode ser usada para destruir gostos e odores objetáveis, para eliminar bactérias e minimizar o desenvolvimento biológico nos filtros e no sistema de distribuição.
 

6.8.2  -  Precloração:

    É realizada imediatamente após a captação da água(antes da clarificação)
    É usada para oxidar , com o objetivo de modificar o caráter químico da água.

6.8.3  -  Poscloração:

    Quando efetuada após a cloração, é usada com o propósito de desinfecção da água.

6.8.4.  -  Decloração:

    É utilizada quando existe um residual de cloro acima do qual a água se torna com características indesejáveis ou estéticas. A decloração é a redução parcial ou total do residual de cloro na água mediante qualquer tratamento físico ou químico. A filtração com carvão ativado é o processo mais utilizado para a remoção do excesso do residual de cloro.

6.8.5   -  Demanda de cloro:

    As substancias que consomem cloro num processo de cloração são as substâncias inorgânicas redutoras, os compostos amoniacais, as proteínas e os materiais carbonosos. Logo a adição de cloro com objetivos de desinfecção posterior deverá prever se haverá residual de cloro para tal, em virtude de estas reações consumirem o cloro e em geral serem reações rápidas.
    A demanda de cloro é definida como sendo a diferença entre a quantidade de cloro aplicada à água e ao do cloro disponível livre e combinado(total), que permanece na água após o período de contato pré-estabelecido. A demanda de cloro expressa as condições de equilíbrio existente das reações químicas do cloro com a água em condições conhecidas.

6.9  -  Desinfecção da água com ozônio:

    O ozônio(O3) é uma forma alotrópica altamente oxidante do elemento químico oxigênio.
    O ozônio é um gás de cor azul, muito solúvel na água e instável.
    Sendo um poderoso oxidante ,tem uma ação desinfetante mais intensa e mais rápida do que o cloro. É o germicida mais poderoso que se conhece.
    O ozônio devido a sua instabilidade deve ser gerado no próprio local de uso.
    É um gás tóxico, sua concentração no ar não deve ultrapassar o teor de 0,1ppm em volume. Sua concentração na atmosfera não poluída na superfície terrestre apresenta teores na faixa de 0,02-0,03 ppm(Richter, C.A e Azevedo Netto, J.M, Tratamento de água, 1991, pp308-310).

6.9.1  -  Efeitos da ozonização:

A aplicação do ozônio à água tem vários efeitos:

    1.  oxidação da matéria orgânica, produzindo ozonidas e CO2;
    2.  alvejamento e melhoria da cor;
    3.    redução dos teores de ferro e manganês;
    4.    ação sobre os ácidos húmicos, formando produtos biodegradáveis;
    5.    desintegração dos fenóis;
    6.    remoção de algumas substâncias orgânicas não biodegradáveis;
    7.    não forma compostos objetáveis com a amônia.

    O ozônio é mais eficiente do que o cloro na eliminação de esporos, cistos de amebas e de polivírus.
    Com um residual de 0,2 mg/l reduz mais de 99% dos coliformes. Destrói as cercarias dos esquistossomos em apenas 3 minutos, com dosagens de 0,9 mg/l.
    A demanda do O3 (ozônio) é muito influenciada pelo teor de matéria orgânica.
    As dosagens usuais são da ordem de 0,3 a 2,0 mg/l.
    Uma grande desvantagem da ozonização, é o fato de que os residuais obtidos não são persistentes, desaparecendo em pouco tempo.
    O ozônio pode ser gerado, fazendo-se passar o ar (oxigênio) através de descargas elétricas de alta voltagem, com corrente alternada:

            O2® O+ + O-
            O+ + O- + e ® O2
            2O+ + O- + M ® O3 + M

    M é uma molécula estabilizadora utilizada para retirar o excesso de energia estabilizando a molécula de ozônio. A concentração de ozônio formada nos ozonizadores está em torno de 1 a 2 %, em geral 1,7 %. Isto significa que a reação (3), formadora do ozônio não é a predominante, e, sim a reação (2).
    A energia gasta na pratica na obtenção do ozônio é de 14- 18 watt hora/grama de O3.
    O ozônio é muito agressivo e os ozonizadores são construídos com materiais resistentes à corrosão.
    O ozônio deverá ser misturado à água através de sistema que aumentem a sua difusão na água.
    A água contendo ozônio se torna altamente corrosiva.
    O ozônio não apresenta os inconvenientes como o do cloro com substâncias contendo amônia.
    A tendência atual é a de aplicar o ozônio a águas relativamente poluídas primeiro e, depois desinfetar com cloro, para assegurar residuais persistentes.
 

6.10  -   Fluoretação:

    O excesso de flúor nas águas potáveis pode causar a fluorose dental ou mancha nos dentes(concentrações acima de1,5 mg/l), sem decrescer a incidência de cáries em crianças. Por outro lado, as comunidades, cuja água potável não contem flúor, apresentam uma alta incidência de cárie dental. Concentrações ótimas de flúor na água potável, geralmente na faixa de 0,8 a 1,2 mg/l, reduzem as cáries dentárias a um mínimo, sem causar fluorose sensível. Pesquisas recentes tem demonstrado que a fluoretação dentro da faixa indicada também beneficia os adultos, reduzindo a ocorrência de osteoporose e endurecimento das artérias. Os compostos de flúor usados na fluoretação são o H2SiF6(ácido flúor silícico), (NH4)2SiF6, (fluosilicato de amônia), (fluosilicato de sódio) Na2SiF6 e fluoreto de sódio, NaF. Na tabela 14 seguinte, contem os dados dos principais compostos utilizados na fluoretação de águas.

Tab. 14. compostos de flúor para fluoretação de águas:
 
Característica NaF(fluoreto de sódio) Na2SiF6(fluosilicato de sódio) H2SiF6 (ácido fluosilícico)
Íon flúor (F-), %
45
61
79
Peso molecular
42
188
144
Pureza comercial
90 a 98
98 a 99
22 a 30
Forma comercial
Pó ou cristais
Pó ou cristais finos
Líquido
Dosagem necessária em mg/l de F- por litro, com a pureza indicada
2,26 % (98 %)
1,67 (98,5 %)
4,21 (30 %)
    O flúor deve ser aplicado num ponto em que toda a vazão de água tratada passe. O flúor pode ser aplicado numa estação de tratamento pode ser introduzido num canal ou tubulação efluente dos filtros, ou diretamente no poço de água filtrada. Sempre que possível, o flúor deve ser aplicado após a filtração, para evitar perdas que possam ocorrer, resultado de reações com outras substâncias químicas. Principalmente águas bem abrandadas e clarificadas. Os pontos de injeção do flúor devem ser os mais distantes possíveis dos pontos de qualquer composto que contenha ácido, de modo a minimizar as perdas por precipitação .
 

7  -  COMPARAÇAO DE MÉTODOS PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS INDUSTRIAIS (Bellew,E.F.; Ch. Eng., March,13,1978,pp.85-91).

    As águas industriais para processo e resfriamento, possui vários contaminantes. Alguns deles são prejudiciais à saúde, outros causam problemas no processo: depósito nas tubulações, contaminação do produto, corrosão.
    Uma técnica muito utilizada envolve a precipitação química, que envolve os seguintes estágios:
        1.Clarificação. A clarificação ou coagulação objetiva reduzir a turbidez e usualmente, cor. Uma água isenta de turbidez e cor é essencial para abastecimento público e fonte de água para processos industriais.
        2. Abrandamento com cal ou cal/soda
        O processo utilizando cal ou cal/soda é utilizado para fins de obtenção de uma água para caldeiras para minimizar os problemas com depósito e corrosão resultantes de dureza e alcalinidade(bicarbonatos).
        3. Remoção de ferro ou manganês(ou de ambos). O ferro e manganês ocorrem nas formas reduzidas nas águas profundas(poços). O processo envolve a oxidação dos compostos contendo Fe e Mn. Estes compostos oxidados, são precipitados e removidos por sedimentação e filtração .
        Coagulação (clarificação). A coagulação química não e somente um processo de precipitação química. A clarificação consiste na formação de um precipitado insolúvel ou pouco solúvel quando uma ou mais substâncias são adicionadas suprimento de água. O processo combina a neutralização das cargas das partículas com a precipitação química.
        Turbidez e cor normalmente são causadas por partículas coloidais. A coagulação envolve a coalescência das partículas coloidais na fase dispersa pela adição de um eletrólito(coagulante), com o objetivo de redução das cargas elétricas das partículas, removendo-se a barreira para a união delas num aglomerado de partículas unidas. Este aglomerado de partículas possui um tamanho muito maior do que as partículas individuais, sendo rapidamente sedimentado pela ação da gravidade. A tabela 15, a seguir contem a faixa de tamanho de partículas usualmente encontradas em fontes de água para abastecimento

Tab.15. Faixa de tamanho de partículas em fontes de água p/ ab. Público
 
Impurezas Tamanho de partícula, nm Estabilidade
Solução verdadeira
Menor do que 1
Completamente estável
Dispersão coloidal
1 a 500
Pode permanecer dispersa por anos
Suspensão 
Maior do que 500
Sedimenta rapidamente
    As partículas pertencente ao tamanho coloidal ou no jargão de tratamento de águas (sólidos suspensos) desenvolvem cargas eletrostáticas . Esta cargas usualmente são negativas, tendo como conseqüência a repulsão mútua entre as partículas. Uma explicação para o desenvolvimento de semelhante carga é dada pela alto valor da área específica das partículas. Na coagulação adiciona- se substâncias (eletrólitos) que possuam cátions com elevado número de oxidação, como sais contendo Al+++, Fe+++ , Fe++, Mg++, Ca++ , entre outros. Estes cátions adicionados, neutraliza as cargas , diminuindo-se o potencial zeta das partículas coloidais existentes na água, possibilitando a aproximação das partículas entre-si, permitindo a sua aglomeração, crescimento do floco formado e, sua conseqüente decantação rápida. Na tabela 16, a seguir, contem os principais coagulantes e seu poder relativo quanto à ação coagulante de eletrólitos positivos e negativos.

Tab.16. poder de coagulação de alguns eletrólitos:
 
Eletrólito
Colóides positivos
Colóides negativos
NaCl
1
1
Na2SO4
30
1
Na3PO4
1000
1
BaCl2
1
30
MgSO4
30
30
AlCl3
1
1000
Al2(SO4)3
30
> 1000
FeCl3
1
1000
Fe2(SO4)3
30
> 1000
Adaptado de Bellew,E,F.1978

A reação do sulfato de alumínio com a água, forma hidróxido de alumínio, este sendo reputado como o responsável pela coagulação das partículas. Forma-se também ácido sulfúrico, este podendo neutralizar a alcalinidade natural ou adicionada porventura existentes nas água, conforme as reações (1) e (2), a seguir:

        Al2(SO4)3 + 6H2O ® 2Al(OH)3 + 3H2SO4 (1)

        H2SO4 + Ca(HCO3) ® CaSO4 + 2H2O + 2CO2 (2)

    Em torno de cada 4 ppm de alcalinidade é neutralizada para 10 ppm de sulfato de Al adicionado. Isto posto, quando a água já contém uma alcalinidade natural, não precisamos de corrigir o pH com cal ou barrilha. Só precisaremos de corrigir o pH(adição de cal ou barrilha), quando a água não tiver alcalinidade natural suficiente, isto é, tiver caráter ácido. A faixa de pH, para a coagulação do sulfato de Al, está entre 5,5 a 8,0; no entanto, é ideal coagularmos em pH entre 6,0 a 7,0.
    Os coagulantes baseados em sais de ferro, podem trabalhar em faixas de pH mais amplas, como de 4-11. Mas, como o sulfato, eles são normalmente utilizados em pH entre 6,0- 7,0.

7.1  -  Auxiliares de coagulação:

    Quando a coagulação se completa, os flocos formados são de tamanho não muito grande e de baixa densidade. Os auxiliares de floculação(polieletrólitos) são adicionados com o objetivo de os flocos crescerem, aumentando de modo apreciável a velocidade de sedimentação. Os polieletrólitos moléculas de alto peso molecular, ou seja, polímeros solúveis em água, com grupamentos capazes de ionização, originando íons grandes carregados. Os polieletrólitos poderão agir segundo mecanismos catiônicos, aniônicos ou noniônicos. Os catiônicos e aniônicos provavelmente possuam mecanismos eletrostáticos de ação; os noniônicos formam pontes por mecanismos físicos.
    Não existe regra geral para a escolha do auxiliar de coagulação. O auxiliar de coagulação mais eficaz, faixa de pH, tipo de polímero(catiônico, aniônico e noniônico), e dosagem ideal do polieletrólito , só pode ser efetuada por meio do "teste do jarro".
    O tipo de equipamento a ser utilizado na clarificação também é importante. Existe dispositivos acionados por motores providos de pás e hélices, além de dispositivos hidráulicos como a calha Parschall, onde combina-se a ação da gravidade com obstáculos à passagem da água, gerando uma capacidade de mistura de líquidos.

7.2  -  Abrandamento da água:

    A dureza da água é causada pelos íons Ca++ e Mg++, resultantes do contato da água com formações geológicas. Em menor grau, podem contribuir com a dureza os íons divalentes (Fe, Sr e o Mn). Os ânions associados a estes cations os principais são o carbonato, o sulfato, cloreto e nitrato.
    O abrandamento consiste na eliminação parcial destes sais. Este abrandamento, vai proporcionar uma água que consome menos detergentes, controlar a formação de incrustações e a prevenção da corrosão. A dureza devida aos bicarbonatos de Ca e Mg é denominada dureza de carbonatos ou dureza carbonatada. A dureza provocada pelos cloretos e sulfatos é denominada dureza não carbonato.
    O nível máximo de dureza para abastecimento publico é de 300 a 500mg/l.O abrandamento com cal à temperatura ambiente é muitas vezes considerado uma etapa além da clarificação. Ela reduz drasticamente o teor de sólidos dissolvidos alem da dureza. O abrandamento com cal e barrilha é aplicado a águas que apresentam dureza não-carbonato. Para tratamento com cal/barrilha a alimentação da barrilha está correta quando o cálcio atingir 35 ppm. O abrandamento por precipitação emprega cal(CaO) e carbonato de sódio, para a remoção do Ca e Mg da solução. Adicionalmente, o tratamento com cal apresenta como benefícios adicionais a ação bactericida, a remoção de ferro e a clarificação de águas superficiais turvas.
    Abrandamento com cal e carbonato de sódio. Alem da cal virgem, cal hidratada e barrilha, pode se usar o CO2 no processo do abrandamento com cal e barrilha(recarbonatação).O abrandamento empregando colunas trocadoras de íons usa uma resina para remover os íons divalentes, substituindo-os pelo íon sódio.

7.2.1 -  Abrandamento com cal e carbonato de sódio:

    O dióxido de carbono é um gás incolor usado para a recarbonatação , no processo de estabilização da água abrandada com cal. O gás é produzido pela queima de um combustível como o carvão, o coque, óleo ou gás. O gás sob pressão é forçado da câmara de combustão por meio de difusores imersos numa bacia de tratamento.
    As reações químicas no abrandamento por precipitação são:

    1.    CO2 + Ca(OH)2 ® CaCO3 + H2O
    2.    Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ® 2CaCO3 + H2O
    3.    Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 ® CaCO3 + 2H2O + MgCO3
    4.    MgCO3 + Ca(OH)2 ® CaCO3 + Mg(OH)2
    5.    Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2® 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O
    6.    MgSO4 + Ca(OH)2 ®  Mg(OH)2 + CaSO4
    7.    CaSO4 + Na2CO3 ® CaCO3 + Na2SO4
    8.    2NaHCO3 + Ca(OH)2 ® CaCO3 +Na2CO3 + 2H2O

    A cal adicionada à água reage, primeiramente, com o CO2 livre, formando um precipitado de CaCO3.(1). Em seguida, a cal reage com o bicarbonato de cálcio presente(2). Um equivalente de cal combina com um equivalente de CO2 ou Ca(OH)2. Dois equivalentes de cal são necessários para remover um equivalente de bicarbonato de magnésio.
    A dureza não-carbonato (sulfatos de Ca ou Mg ou cloretos) requer a adição de carbonatos de sódio(barrilha) para a precipitação. Os limites práticos de abrandamento para o sistema cal-soda (precipitação) são cerca de 30 a 40 mg/l de CaCO3 e de 10 ml/g de Mg(OH)2.
    A principal vantagem do abrandamento com cal é que os sólidos totais dissolvidos são drasticamente reduzidos.
    A recarbonatação da água tratada com CO2, produz estabilização da água (neutraliza o excesso de cal), reduzindo a possível precipitação de carbonatos nas tubulações:

        Ca(OH)2 + CO2® CaCO3 + H2O
        CaCO3 + CO2 + H2O ® Ca(HCO3)2

    Outra rota alternativa do processo cal/soda, consiste em utiliza a soda caustica (NaOH) em lugar da barrilha(Na2CO3).

        CO2 + 2NaOH ® Na2CO3 + H2O
        Ca(HCO3)2 + 2NaOH ® CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O
        Mg(HCO3)2 + 4NaOH ® Mg(OH)2 + 2 Na2CO3 + 2H2O
        MgSO4 + 2NaOH ® Mg(OH)2 + Na2SO4

7.2.2  -  Abrandamento com cal a quente:

    É efetuado a temperaturas superiores à 100 ° C, é utilizado quando no processo existe necessidade de reposição de água para alimentação de caldeiras a vapor. A cal é empregada conjuntamente com a barrilha. O processo de abrandamento a quente sempre é provido de sistema de filtração com carvão para a remoção dos flocos arrastados. Este tipo de abrandamento reduz a dureza total a níveis de 5ppm de CaCO3.
 

7.2.3  -   Abrandamento e dealcalinização:

    Neste processo, além da dureza, é removida a alcalinidade contida nas águas representadas por carbonatos e bicarbonatos de sódio. Neste caso, a resina utilizada deverá ser uma catiônica de hidrogênio. Águas para caldeiras deverão ser isentas de bicarbonatos de sódio, devido a formação de CO2 e este ser altamente corrosivo Este processo reduz a totalidade dos sólidos dissolvidos na água de alimentação para as caldeiras.

    Regeneração das resinas no abrandamento(caso da resina catiônica R-Na):

    Esta regeneração é efetuada com uma solução de NaCl a 10 %. Uma vez efetuada a regeneração o leito de resinas é lavado em contra-corrente, com água desmineralizada para remover o excesso de NaCl. O óxido de ferro proveniente das tubulações são grandes responsáveis por perda de capacidade de troca pelas resinas.
    Pode-se extrair o óxido de ferro impregnado na resina pela passagem no leito de solução de HCl a 5-10 %. Após isto, aplica se a passagem da solução regenerante (NaCl).
 

7.3   -  Troca iônica:

    A troca iônica é uma reação química reversível através de substâncias polimericas insolúveis em água que tem uma alta capacidade de trocar íons dissolvidos na água. Dependendo do tipo de radical contido na resina, elas poderão ser classificadas em resinas catiônicas e aniônicas.
    A troca iônica no tratamento da água pode ser utilizada em vários níveis, tais como: remoção da dureza somente (abrandamento), remoção da dureza e alcalinidade e desmineralização.
    A troca iônica é um processo pratico e flexível no tratamento de águas para caldeiras de alta pressão. Quando se requer uma água com dureza zero ou próxima de zero existe a necessidade de um sistema de troca iônica, principalmente quando a dureza da água de processo(clarificada) for menor do que 100 ppm. Normalmente faz-se primeiramente um abrandamento com cal-soda para depois aplicar os leitos de resinas. Quando a água bruta contiver teor de dureza baixa (30-50 ppm de CaCO3) é conveniente fazer uma clarificação convencional e, depois, aplicar um leito de resina catiônica (abrandamento).
    A resina de troca catiônica ao sódio, alem de remover a dureza representada pelos sais de Ca Mg, remove também os sais solúveis contendo Fe, Mn e Al. A capacidade da resina é brutalmente reduzida pela presença de cations monovalentes na água bruta.

7.3.1 -  Resinas trocadoras de íons:

    As resinas trocadoras de íons utilizadas no tratamento de água são polímeros ou copolímeros orgânicos tais como fenóis, aldeídos, estirenos e derivados de vinil. A maioria são sólidos granulares. Na fabricação das resinas são adicionados via reação química de grupos ácidos ou básicos. Desta forma, pode-se obter resinas que trocam cátions e outras que trocam ânions, com propriedades físicas e químicas adequadas(resistência à abrasão, capacidade de troca, etc.).
    A facilidade ou dificuldade para a troca de cátions pela reação de troca iônica é dada pela série de Hoffmeister a seguir.
    A afinidade geral de íons pela resina é dada pela série de Hoffmeisteir ou Schoeller:

    H+ > Rb+> Ba++ > Sr++>Ca++> Mg++ > K+>Na+>Li+.

    Um exemplo clássico de resina trocadora de íons é a resina derivada do poliestireno: Nas posições meta o poliestireno, possui hidrogênio que poderão ser substituídos por grupos derivados do ácido sulfonico. Este grupo sulfonico se comporta como uma resina trocadora de hidrogênio. Trocando-se o H pelo sódio, teremos uma resina catiônica sódica. Esta resina, possui alta capacidade de troca, resiste às mais diversas condições de pH, até 95 °C, em meio alcalino e, até 120 C em meio acido. E perfeitamente adequada para abrandamento e desmineralização, pois pode ser comercializada na forma sódica e na forma hidrogenionica.

7.3.1.1- Resinas trocadoras de íons cationicas:

    As resinas trocadoras de íons catiônicas (R-H, ou R-Na), são compostas por uma matriz orgânica polimérica (R), de caráter forte (ácido sulfônico) ou de caráter fraco (ácido carboxilico), onde -H, ou - Na, consiste do cátion inorgânico relevante na troca.
    Em solução aquosa, assim podemos expressar de modo geral uma reação de troca iônica com resinas catiônicas contendo o cátion Hidrogênio:

    Sendo, R, a matriz orgânica polimérica, e n(H), o número de hidrogênio (cátions) ionizáveis contidos na resina trocadora. Estes ions hidrogênio são capazes de reação de troca com outros cátions contidos na água. A resina catiônica do grupo do Hidrogênio (R-H2), é mais utilizada no circuito de desmineralização ou desionisação de águas.
    Quando numa resina catiônica, o cátion contido nela é o sódio(Na), ela é denominada     resina catiônica do grupo do sódio (R-Na), sendo muito utilizada na remoção de dureza e desalcalininzação de águas. Assim se expressa a troca catiônica utilizando uma resina do grupo do sódio:


 

Ex.    R-Na + CaSOÛ       R-Ca  + Na2SO4
 

Para uma resina catiônica do grupo do hidrogênio, assim será a reação de troca:
 

2R-H  + Ca(HCO3)2    Û      R2Ca  + 2 H2O  + 2CO2
 

    As resinas de troca catiônicas R-Na, remove a dureza das águas mas conserva sua alcalinidade e as resinas R-H remove a dureza e  cria uma certa acidez livre no seu efluente. Na eliminação da dureza de águas com tratamento por resinas catiônicas e aniônicas, primeiro deixa-se a água passar pelo leito das catiônicas, pois estas são mais resistentes química e mecanicamente.  Por último,  a água passa pelo leito das aniônicas que são mais fracas tanto química quanto mecanicamente.

7.3.1.2 - Resinas trocadoras de íons anionicas:

    São resinas sintéticas do tipo fenol-formaldeido e do grupo poliestireno do qual foram tornadas aniônicas pela introdução
na molécula polimérica de grupos amina básicos(aniônicos)
    Resinas fortemente básicas: reagem com ácidos de acordo com a reação:

        1.    RNH2 + HCl ® RNH3Cl; a adição de um álcali regenera a resina:
        2.    RNH3Cl + NaOH ® RNH2 + NaCl +H2O.

    Para efeito de simplicidade representa-se a resina com a fórmula R-OH.
    Estas resinas na presença de ácidos minerais fortes teriam o seguinte comportamento:

                R1NH3-OH + HCl ® R1NH3Cl + H2O

    Estas resinas são muito utilizadas para desmineralizar águas que contenham determinadas concentrações de cloretos e sulfatos, pois são adequadas para remover ácidos fortes provenientes da coluna de resinas catiônicas durante esse processo; não removem ácidos fracos como o ácido silícico e ácido carbônico.
 

8   -  Desmineralização de águas:

    É o processo de remoção praticamente total dos íons presentes numa água. Pode ser efetuado fazendo-se passar a água através de leitos de resinas catiônicas do grupo do hidrogênio e leitos de resinas aniônicas. Este processo também é denominado deionização. A deionização também pode ser efetuada num único leito o qual seja composto de resinas catiônicas e aniônicas(leito misto). Numa desmineralização, primeiro faz passar a água pelo leito de resinas catiônicas, para depois ir para o leito das aniônicas, pois as catiônicas são mais resistentes tanto química quanto mecanicamente(abrasão). O efluente das resinas catiônica possui pH baixo, ao findar-se o ciclo da resina, o pH aumenta(diminui a acidez mineral livre). A medida do teor de sódio é um parâmetro importante para avaliar a capacidade do leito de resina catiônica         (o sódio é monovalente, lembrar a serie de Hoffmeister).
    Águas ricas em bicarbonatos produzem muito CO2 livre, após passagem pelo leito de resinas catiônicas, por isso é importante a instalação de desgaseificadores para a remoção de gases.
    Num leito de resinas também é importante evitar a presença de matéria orgânica e compostos clorados, estas substancias deterioram a capacidade das resinas principalmente das aniônicas. Para isso, antes do leito a água deverá passar por filtros de carvão ativado. A qualidade de uma água desmineralizada deverá ser feita pela medida do teor de sílica coloidal ou  reativa. Pois a sílica é um dos ânions de maior dificuldade de ser trocado pela resina.
    Normalmente a primeira etapa da troca. É um processo descontínuo com reações reversíveis.
    Existe basicamente dois tipos de resinas: resina catiônica e resina aniônica. A resina catiônica remove parte ou todos os cations da água(Ca, Mg, Fe, Mn, Na..).
    As resinas aniônicas removem parte ou todos os ânions da água (CO2, alcalinidade de bicarbonatos e carbonatos, cloretos, sulfatos, sílica,...).

8.1 - Desmineralização por osmose reversa:

    A osmose reversa é um processo de desmineralização de águas através da utilização de membranas semipermeaveis. O processo de osmose reversa utiliza-se de altas pressões para conseguir reverter o processo espontâneo da osmose. No processo espontâneo de osmose como acontece nas células dos organismos vivos(parede celular das plantas), a concentração de sais flui de uma região mais concentrada deste sal para outra região menos concentrada.
    O processo industrial de osmose reversa, utiliza-se de uma montagem especial no qual as membranas semipermeaveis ficam numa forma de espiral cilíndrica com o objetivo de aumentar a área disponível para a passagem dos íons. Fig. Unidade de osmose reversa.
    A água a ser desmineralizada é forçada através de grandes pressões a entrar de um lado do cilindro espiralado contendo a camada de membrana e a ser permeada(coletada no outro extremo do cilindro).
    A água de alimentação deverá ter baixo teor de sólidos, devendo ser previamente filtrada em filtro de carvão ativado para eliminar o material em suspensão e o cloro. para prevenir o entupimento do cilindro contendo as membranas. O carvão adsorve moléculas orgânicas, cromatos, sulfetos e cloro. O carvão também retira os peróxidos, ácido nítrico e cloro que poderiam danificar as membranas. As membranas são do tipo de filmes finos e de triacetato de celulose(CTA). As membranas de filmes finos, são mais sensíveis ao cloro do que as de CTA. A água de alimentação de um sistema de osmose reversa deverá ter o pH ajustado para 5,5-6,5. Isto ajuda a prevenção do entupimento da camada de membranas e também manter o sistema limpo. Nem toda água alimentada sai no permeado. Existe uma taxa de rejeição. Até seis membranas podem ser conectadas em série, permitindo uma taxa de captura de 84 %(rejeitando 16 %). Poderemos recircular uma parte do rejeitem sistemas de passo múltiplo, tendo uma recuperação em torno de 92 %. Para se fazer isto precisaremos de bombas mais potentes, para manter esta vazão alta.
 

BIBLIOGRAFIA:
    Bibliografia sobre águas e tratamento de águas existente na BU/UFSC.

    1.    Princípios de tratamento de água industrial. Editado por Drews produtos químicos. São Paulo, 1979 (628.16)

    2.    Richter, C.A.e Azevedo Netto, J.M. ,Tratamento de água. Cetesb/SP,(628.16).

    3.    Leme, F. P., Teorias e técnicas de tratamento de águas. (628.16)

    4.    CETESB- Água, qualidade , padrões de potabilidade e poluição. São Paulo, 1969,(628.16).
    5.    CETESB/BNH, Operação e manutenção de ETA, vols. 1 e 2.(628.16)
    6.    Santos Filho,D.,F., Tecnologia de tratamento de água. (628.16.)
    7.    Babbit, Doland e Cleasby. Abastecimento de água, 1973, (628.1)
    8.    Azevedo Netto, J.M., Tratamento de água de abastecimento, EDUSP,1966
    9.    CETESB, Técnicas de abastecimento e tratamento de água, 2o ed. , 1987,(628.1)
    10.  Di Bernardo, Métodos e técnicas de tratamento de água, ABES,1993, (628.3).
    11. Custodio, E. ,Llamas,M.R, Hidrologia subterrânea, tomo 1, Omega, Barcelona, 2o ed.,1983,(551.444).
    12. The properties of groundwater, (556.3).
 
 
 
 
 

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