abrandamento químico - tratamento de Águas

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Tratamento de Águas Departamento de Engenharia Química e de Materiais da PUC-Rio Abrandamento de água

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Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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Page 1: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Tratamento de ÁguasDepartamento de

Engenharia Química e de Materiais da PUC-Rio

Abrandamento de água

Page 2: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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.

Page 3: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Dureza da água

Estearato de sódio Estearato de cálcio

Page 4: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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 (perda de

rendimento e risco de

explosão).

Page 5: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Dureza da água

Ca2+ + 2HCO3− ⇋ Ca2+ + CO3

2− + CO2 + H2O

Ca2+ + CO32− ⇋ CaCO3

Page 6: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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.

Page 7: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Dureza da água

Origem Natural:

Dissolução de minerais.

Origem Antropogênica:

Despejos industriais.

Aluno: Thiago da Silva Ribeiro

Disciplina: Tratamento de Águas

Professor: Luiz Alberto Teixeira

Page 8: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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.

Page 9: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Medida da dureza

Experimentalmente a dureza pode ser determinada mediante a titulação da amostra com EDTA - ácido etilenodiaminotetracético (ou outra técnica analítica que quantifique cálcio e magnésio).

Page 10: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Classificação das águas em função da

dureza

Com relação a concentração de dureza, a água pode

ser classificada em quatro categorias:

ClassificaçãoDureza

(mg CaCO3/L)

Branda < 75

Dureza moderada 76 - 150

Dura 151 - 300

Muito dura > 300

SAWYER, C. N.; McCARTY, P. L.; PARKIN, G. F. Chemistry for

sanitary engineers. 4º ed, New York, McGraw-Hill, 2000.

Page 11: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Padrão de aceitação para consumo

humano

PORTARIA Nº 2.914, DE 12 DE DEZEMBRO DE

2011 (Valor máximo permitido: 500mg CaCO3/L).

Page 12: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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 é considerada incrustante.

Page 13: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Benefícios para redução da dureza

Redução da tendência de incrustação;

Redução do consumo de sabões e detergentes;

Outros benefícios podem ser atingidos dependendo da tecnologia adotada.

Page 14: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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.

Page 15: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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.

Page 16: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Reações envolvidas

423324

4224

3223

233223

23223

23322

22

)()(

)()(

2)()(

22)()(

2)(

)(

SONaCaCOCONaCaSO

CaSOOHMgOHCaMgSO

CaCOOHMgOHCaMgCO

OHMgCOCaCOOHCaHCOMg

OHCaCOOHCaHCOCa

OHCaCOCOHOHCa

OHCaOHCaO

Page 17: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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.

Page 18: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

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

Coagulante

Page 19: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Vantagens e desvantagens

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.

Page 20: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Abrandamento por troca catiônica

A resina atua trocando dois tipos de íons

presentes na água (cálcio e magnésio) por

outro (sódio) presente na solução de salmoura.

A troca ocorre na superfície da resina.

Somente os cátions da resina são livres para

se movimentarem. A porção de ânions da

resina é tão grande e estável que não pode ser

dissolvida pela água, e consequentemente não

é livre.

Page 21: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Abrandamento por troca catiônica

A resina catiônica empregada pertence a um

grupo tido como moderno, em termos de

tecnologia. Formada a partir do estireno

polimerizado sulfonado, sua principal

característica é a estabilidade química, o que

permite atuar em diversas temperaturas e

diversos tipos de qualidade de água.

Page 22: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

O ciclo de abrandamento

Abrandador

de água

Com material

de troca iônica

carregado de

sódio

Água dura

Água branda

contendo sódio

em troca

da dureza

Muitos litros

depois....

O abrandador

continua a

fornecer água

completamente

branda

A capacidade

de abrandar

dura está

acabando....

Agora é necessária

uma regeneração

com salmoura para

recarregar o

material de troca

com sódio

Page 23: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

O ciclo de regeneraçãoÁgua contendo

dureza em

troca do sódio

Salmoura,

a fonte mais

econômica

de sódio

Ainda

descarregando

água contendo

dureza

Remoção do

exceso da

salmoura

Abrandador

de água

15 a 20 minutos

mais tarde....

A regeneração

está quase

completa

Com o material

de troca outra

vez pronto para

trocar sódio por

dureza e

continuar

fornecendo água

completamente

branda

Page 24: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Considerações

Os abrandadores de água funcionam sob

o princípio da seletividade, que está

baseada na valência e peso molecular do

íon.

Os cátions divalentes (com duas cargas

positivas) serão mantidos na resina

catiônica com preferência sobre os cátions

monovalentes (uma carga positiva).

Page 25: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Considerações

A seletividade sobre os cátions com a

mesma carga será baseada no peso

molecular. Quanto maior seja o peso

molecular maior é a seletividade da resina

catiônica.

Elemento Símbolo Carga Peso Molecular Seletividade

Bário Ba +2 137,34 Maior

Ferro Fe +2 55,847

Cálcio Ca +2 40,08

Magnésio Mg +2 24,305

Potássio K +1 39,102

Sódio Na +1 22,9898

Hidrogênio H +1 1,008 Menor

Page 26: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Reação Química no abrandador

NaCl

Água Bruta

Ca(HCO ) 3 2

Mg(HCO ) 3 2

CaSO

MgSO

CaCl

MgCl

NaCl2

2

4

4

(Na) R +

Água Abrandada

NaHCO

Na SO

NaCl2 4

3

Exaustão: Ca + Mg + (Na) R +

Regeneração: NaCl + Ca

MgR

Ca

MgR + Na

CaCl + MgCl + NaR2 2

Page 27: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Vantagens e desvantagens

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;

Requer o tratamento do efluente da regeneração.

Page 28: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Abrandamento por processo de

nanofiltração

A nanofiltração é um processo especial de

membranas que remove partículas de

diâmetros até a ordem de 1 nanômetro (10

Ångstroms).

A nanofiltração é um processo situando entre

a osmose reversa e a ultrafiltração. A

vantagem do processo de nanofiltração é o

menor consumo energético.

Page 29: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Abrandamento por processo de

nanofiltração

Page 30: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Abrandamento por processo de

nanofiltração

Remoção de compostos orgânicos de baixo

peso molecular e íons divalentes e trivalentes

dissolvidos, através de uma membrana que

restringe, total ou parcialmente, uma ou

várias espécies químicas.

Valor típico do fluxo de água pela membrana: 20 a 30 L.h-1.m-2.

Page 31: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Vantagens e desvantagens

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.

Page 32: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Referências Bibliográficas

ATKINS, P., JONES, L. Princípios de química: Questionando a

vida moderna e o meio ambiente. 3°ed. Porto Alegre: Bookman,

2006.

KOTZ,J.C; TREICHEL Jr.,P.M.; WEAVER, G.C. Química Geral e

Reações Químicas. 6ed. Vol 2. São Paulo,2010.

SAWYER, C. N.; McCARTY, P. L.; PARKIN, G. F. Chemistry for

sanitary engineers. 4º ed, New York, McGraw-Hill, 2000.

SILVA, D.O.; CARVALHO, A.R.P. Agua Dura e Abrandamento.

Soluções em engenharia de tratamento de água.

OLIVEIRA, R., FERNANDES, C. Determinação da Dureza Total

(Dureza de Cálcio e Magnésio), Departamento de Engenharia

Civil, UFCG.

Aluno: Thiago da Silva Ribeiro

Disciplina: Tratamento de Águas

Professor: Luiz Alberto Teixeira

Page 33: Abrandamento Químico - Tratamento de Águas

Muito obrigado

pela sua atenção!