ABRANDAMENTO (REMOÇÃO DA DUREZA)

NOMES: Guilherme Cardoso da Silva, Maria Luiza Andrade Aquino e Mariana Gabriela de Oliveira

TURMA: Química 3A – T2

DISCIPLINA: Laboratório de Processos Industriais

BELO HORIZONTE

03 de março de 2011

ABRANDAMENTO (REMOÇÃO DA DUREZA)

Relatório apresentado para avaliação na disciplina de

Laboratório de Processo Industriais, do Curso Técnico de

Química do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas

Gerais, ministrado sob orientação da professora Patrícia

Procópio.

BELO HORIZONTE

03 de março de 2011

I. Introdução

A água é uma substância indispensável à vida, pois é utilizada em todas as atividades, humanas,

animais e vegetais de forma direta ou indireta. Em cada situação em que se utiliza a água,

diferentes condições de pureza são exigidas. Vários fatores são levados em conta na

determinação da qualidade da água para um determinado uso. Um fator muito importante é a sua

‘dureza’.

A dureza da água é definida em termos da concentração dos cátions cálcio e magnésio, sendo

esses provenientes de depósitos subterrâneos, como o calcário (CaCO3) ou a dolomita (CaCO3.

MgCO3) que agregam à composição da água uma quantidade excessiva de íons Ca2+ e Mg2+, na

forma de bicarbonatos (HCO3-), nitratos (NO3-), cloretos (Cl-) e sulfatos (SO42-).

O termo água dura foi originado em razão da dificuldade de lavagem de roupas com águas

contendo elevada concentração de certos íons minerais. Esses íons reagem com sabões

formando precipitados e evitam a formação de espuma. Os sabões são compostos por sais

orgânicos cujas moléculas possuem uma parte hidrófila e outra hidrofóbica e classificados como

agentes tensoativos, pois reduzem a tensão superficial de soluções aquosas e, por isso, atuam na

limpeza de objetos e superfícies. Os cátions cálcio e/ou magnésio reagem com o sal orgânico

formando compostos pouco solúveis, diminuindo sua concentração e o poder de espumar.

Dependendo da concentração desses cátions, a água passa a ser classificada da seguinte

maneira: água branda (com teores entre 0 e 40 mg L-1), água moderada (com teores entre 40 e

100 mg L-1), água dura (com teores entre 100 e 300 mg L-1), água muito dura (com teores entre

300 e 500 mg L-1) e água extremamente dura (com teores acima de 500 mg L-1).

Na indústria o controle da dureza da água deve ser rigoroso, pois, na maioria dos casos, a água é

utilizada para o abastecimento de equipamentos geradores de vapor, como caldeiras, ou

trocadores de calor. o cálcio e magnésio, presentes na água dura, possuem características

naturais de se agregarem nas paredes das tubulações. Em altas temperaturas, se cristalizam

formando incrustações, causando às caldeiras sérios danos, tais como: diminuição da eficiência

na geração do vapor, superaquecimentos dos equipamentos, corrosão, possibilitando o

rompimento de tubos e causando explosões.

O tratamento da água dura para a retirada de Ca2+ e Mg2+ é conhecido por abrandamento e pode

ser realizado de duas maneiras: Precipitação química e troca iônica.

Dentre os métodos de abrandamento por precipitação química, encontram-se o método do fosfato

e o da cal sodada. Estes métodos são geralmente aplicados para águas com dureza elevada e

possibilitam a remoção de contaminantes, tais como metais pesados e outros. Porém, pode haver

produção de lodo químico e surgir a necessidade de ajustes finais, pois a água abrandada ainda

possui dureza-cálcio em torno de 30 ppm de CaCO3.

O abrandamento por troca iônica consiste em fazer a água atravessar uma resina catiônica que

captura os íons Ca2+ e Mg2+, substituindo-os por íons que formarão compostos solúveis e não

prejudiciais ao homem, tais como o Na+. Dentre as vantagens desse método encontram-se a alta

eficiência para remoção dos íons responsáveis pela dureza (para remoção de Ca2+ a dureza

resultante atinge valores menores que 1mg L-1 de CaCO3); as resinas podem ser regeneradas e

não há formação de lodo químico no processo. Porém requer um pré-tratamento da água e ocorre

saturação da resina, exigindo a sua regeneração.

II. Objetivos

Analisar as características da água dura e determinar, dentre os métodos do fosfato e de cal

sodada, qual é mais eficiente como processo químico de abrandamento por precipitação.

III.Materiais e equipamentos

- Argola

- Bastão de Vidro

- Béquer de 100 mL

- Béquer de 250 mL

- Erlenmeyer

- Funil liso (de transferência)

- Papel de Filtro

- Pipeta volumétrica de 25 mL

- Suporte Universal

IV. Reagentes

- EDTA 0,01M

- Eriocromo T (indicador de pH)

- Fosfato de sódio

- Hidróxido de sódio

- Solução de cal sodada

- Solução tampão

V. Procedimentos

V.1 Método do fosfato

- Colocar em um béquer de 250 mL, 50 mL de água contendo dureza conhecida;

- Adicionar à água que está no béquer uma pitada de fosfato de sódio e 10 mL de NaOH 1N.

Agitar;

- Filtrar;

- Pipetar 20 mL da amostra e transferir para um erlenmeyer;

- Adicionar 1 mL de solução tampão;

- Adicionar uma ponta de espátula do Eriocromo T;

- Titular com EDTA 0,01M;

- Repetir a titulação (em duplicata) e calcular a média dos resultados;

- Calcular a dureza da amostra e a eficiência do método; Anotar os resultados.

V.2 Método da cal sodada

- Colocar em um béquer de 250 mL, 50 mL de água contendo dureza conhecida;

- Acrescentar solução de cal sodada;

- Filtrar;

- Pipetar 25 mL da amostra e transferir para um erlenmeyer;

- Adicionar 1 mL de solução tampão;

- Adicionar uma ponta de espátula do Eriocromo T;

- Titular com EDTA 0,01M;

- Repetir a titulação e calcular a média dos resultados;

- Calcular a dureza da amostra e a eficiência do método; Anotar os resultados.

V. Resultados e discussão

Método do Fosfato:

Di = 300 mg L-1

Df1 = 50 mg L-1 Df2 = 106,3 mg.L-1

Dfm = 78,15

Eficiência: 73,9%

Método da Cal Sodada:

Di = 300 mg L-1

Df1 = 6,3 mg L-1 Df2 = 10 mg.L-1

Dfm = 8,15

Eficiência: 97,3%

No método da cal sodada, a cal adicionada à água reage, primeiramente, com o CO2 livre,

formando um precipitado de CaCO3.

CO2 (g) + Ca(OH)2 (aq) CaCO3 (s) + H2O(l)

Logo após, ela reage com o bicarbonato de cálcio presente na água dura, formando, novamente,

o precipitado CaCO3.

Ca(HCO3)2(aq) + Ca(OH)2(aq) 2CaCO3 (s) + H2O(l)

O mesmo ocorre com o bicarbonato de magnésio, formando os precipitados MgCO3 e CaCO3.

Mg(HCO3)2 (aq) + Ca(OH)2 (aq) CaCO3 (s) + 2H2O (l) + MgCO3 (s)

Pode também formar precipitados de Mg(OH)2.

MgCO3 (aq) + Ca(OH)2 (aq) CaCO3 (s) + Mg(OH)2 (s)

Mg(HCO3)2 (aq) + 2Ca(OH)2 (aq) 2CaCO3 (s) + Mg(OH)2 (s) + 2H2O (l)

O carbonato de sódio é utilizado para remover as durezas que não são carbonatos, como, por

exemplo, os sulfatos.

MgSO4 (aq) + Ca(OH)2 (aq)   Mg(OH)2 (s) + CaSO4 (s)

CaSO4 (aq) + Na2CO3 (aq ) CaCO3 (s) + Na2SO4 (aq)

2NaHCO3 (aq) + Ca(OH)2 (aq) CaCO3 (s) +Na2CO3 (aq) + 2H2O(l)

A principal vantagem do abrandamento com cal sodada é que os sólidos totais dissolvidos são

drasticamente reduzidos, o que pode ser percebido ao observar a água dura após a adição dos

reagentes, que fica completamente turva, necessitando de filtração para prosseguir com a

análise. Em contrapartida, não é possível fazer essa observação no método do fosfato.

No método do fosfato, o fosfato de sódio reage, juntamente com o hidróxido de sódio, com os

íons de Ca2+ e Mg2+, formando os compostos fosfato de cálcio e fosfato de magnésio.

2NaH2PO4 (aq) + 3Ca(HCO3)2 (aq) + 4NaOH (aq) Ca3(PO4)2 (s) + 3Na2CO3 (aq) + 3CO2 + 7H2O (l)

Depois, esses compostos reagem novamente com o hidróxido de sódio, formando uma base

insolúvel:

10Ca3(PO4)2 + 6NaOH     3Ca10(PO4)6(OH)2 + 2Na3PO4

Em relação à eficiência, o método do fosfato é inferior ao da cal sodada. Isso pode acontecer

pelo fato de não se ter uma proporção acertada para o abrandamento e necessitar de testes

para conseguir a melhor quantidade de reagentes.

A determinação da dureza consiste na titulação das soluções resultantes do processo acima com

uma solução padrão de Ácido Etilenodiaminotetracético (EDTA), que forma íons complexos muito

estáveis com o Cálcio e o Magnésio. Ao adicionar o Eriocromo T forma-se, com o cálcio e o

magnésio, um íon complexo fraco de cor violeta. Durante a titulação, todos os íons que dão

dureza são complexados pelo EDTA, rompendo-se a ligação com Eriocromo T, em função de o

EDTA formar um complexo mais estável com os íons causadores da dureza. Os complexos

formados pelo EDTA são de cor azul, gerando assim a transformação de rosa à azul (quando se

deve parar a titulação). O meio é fortemente tamponado alcalinamente, pois em pH’s mais baixos

o EDTA é protonado ao invés de complexar com o cálcio e o magnésio.

No Brasil, o valor máximo permissível de dureza total fixado pelo padrão de potabilidade, ora em

vigor, é de 500 mgCaCO3/L (Tabela 5 - Padrão de aceitação para consumo humano -

PORTARIA N.º 1469, DE 29 DE DEZEMBRO DE 2000). Teores de dureza inferiores a 50ppm

não implicam em que a água seja considerada dura. Teores de 50 a 150 não incomodam para

efeitos de ingestão, mas acima de 100ppm provocam prejuízos sensíveis em trabalhos que

envolvam o uso da água com sabão e originam precipitações com incrustações anti-estéticas e

até potencialmente perigosas em superfícies sujeitas a aquecimentos. Em geral a redução da

dureza para concentrações inferiores a 100ppm só é economicamente viável para fins

industriais, onde o produto final ou os equipamentos dependem de água de melhor grau de

pureza. Assim, após a remoção da dureza com ambos os testes, a água está dentro do padrão

de aceitação para consumo humano e pode ser utilizada para fins industriais.

Com relação aos custos tem-se:

Método do fosfato:

Fosfato de sódio: 500g – R$ 15,79

Hidróxido de sódio 1N: 1000mL – 10,05

Gastou-se 1g (R$0,03) do primeiro e 10mL (R$0,10) do segundo, sendo assim, para cada

amostra o custo total é de R$0,13.

Método da cal sodada:

Cal: 500g – R$60,59

Carbonato de sódio: 500g – R$6,79

Gastou-se 0,24g (R$0,03) do primeiro e 0,6g (R$0,01) do segundo, sendo assim, para cada

amostra o custo total é de R$0,04.

VI. Conclusão

A partir da análise dos resultados da prática, pode-se concluir, então, observando a eficiência e

os gastos, que o método de abrandamento da água dura por precipitação mais adequado é o

método da cal sodada.

IX. Referências bibliográficas

MÓL, Gerson de Souza; BARBOSA, André Borges; SILVA, Roberto Ribeiro da. Água dura em sabão mole. Química Nova na Escola, São Paulo, nº 2, p. 32-33, Nov. 1995. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc02/exper2.pdf>. Acesso em: 04 mar. 2011.

SILVA, Diego de Oliveira e; CARVALHO, Antonio R. P. Água Dura e Abrandamento. Kurita - Soluções em Engenharia de Tratamento de Água. Disponível em: <http://www.kurita.com.br/adm/download/agua_dura_e_Abrandamento.pdf>. Acesso em: 04 mar. 2011.

Princípio do método de dureza. Disponível em: <http://www.mundodoquimico.hpg.ig.com.br/principio_do_metodo_de_dureza.htm.> Acesso em: 15 mar. 2011.

Determinação da dureza em águas. Disponível em: <http://pessoal.utfpr.edu.br/colombo/arquivos/Dureza.pdf> Acessado em: 15 mar. 2011.

Lista de preços de reagentes. Disponível em: <http://www.quimibras.com.br/homepage/produtos/dyne_todos.html>. Acesso em: 15 mar. 2011.

Águas naturais. Disponível em: <http://lema.enq.ufsc.br/Arquivos/AGUAS%20NATURAIS.htm> Acesso em: 15 mar. 2011.