apostila de química xi teoria - parte 1 e 2

QUMICA XI

(Notas de Aula - Teoria)

Prof Flvia Omena

[email protected] sala 418-A

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

CENTRO DE TECNOLOGIA E CINCIAS

INSTITUTO DE QUMICA

DEPARTAMENTO DE PROCESSOS QUMICOS

Qumica XI - Prof Flvia Omena Corroso

1

1. Conceito Deteriorao de um material, geralmente metlico,

por ao qumica ou eletroqumica do meio ambiente,

aliada ou no a esforos mecnicos (GENTIL, 1996).

em geral um processo espontneo

fenmeno de interface

afeta principalmente os materiais inorgnicos

1.1 Usos propositais da corroso

oxidao de aos inoxidveis => formao da pelcula protetora de Cr2O3;

anodizao do alumnio => oxidao das peas de alumnio, com formao de Al2O3 (proteo e decorao da pea);

proteo catdica com anodos de sacrifcio => proteo de ao-carbono em instalaes submersas;


2

decorao de monumentos e esculturas de bronze => formao de ptinas que conferem coloraes caractersticas como o escurecimento (xidos e sulfetos) e tons esverdeados (sais bsicos)

entre outros...

1.2 Meios corrosivos Responsveis pelo aparecimento do eletrlito

(soluo eletricamente condutora, constituda de gua

contendo sais, cidos ou bases)

Principais meios corrosivos e seus eletrlitos

atmosfera => o eletrlito a gua que condensa na superfcie metlica, na presena de sais ou gases do ambiente.

solos => o eletrlito principalmente a gua com sais dissolvidos

guas naturais (rios, lagos e subsolo) => o eletrlito principalmente a gua com sais dissolvidos

gua do mar => um eletrlito por excelncia, devido grande quantidade de sais dissolvidos; outros constituintes


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(como os gases dissolvidos) podem acelerar os processos corrosivos

Tabela 1 Constituintes tpicos da gua do mar

Cloreto (Cl-) 18,9799

Sulfato (SO-) 2,6486

Bicarbonato (HCO) 0,1397

Brometo (Br-) 0,0646

Sdio (Na+) 10,5561

Magnsio (Mg 2+) 1,2720

Potssio (K+) 0,3800

Fluoreto (F-) 0,0013

Clcio (Ca2+) 0,4001

Estrncio (Sr+2) 0,0133

cido Brico (H3BO3 ) 0,0260

produtos qumicos => em contato com gua ou umidade, podem formar eletrlito, provocando corroso eletroqumica

A atmosfera no entorno de indstrias e o interior de

determinadas tubulaes e equipamentos tambm podem funcionar como meio corrosivo.

1.3 Custos


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INDSTRIA; CONSTRUO CIVIL;

MEDICINA; OBRAS DE ARTES.

Perdas diretas

substituio de peas que sofreram corroso (inclui energia e mo-de-obra);

custos e manuteno de processos de proteo (proteo catdica, recobrimentos, pinturas).

Perdas Indiretas

paralisaes acidentais p/ substituio de tubos corrodos;

perdas de produtos;

perdas de eficincia de trocadores de calor devido s incrustaes;

superdimensionamento nos projetos;

interrupes de telefones.


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Estudo encomendado pelo Congresso americano (1999-2001) estimou custos anuais com a corroso: total = U$276 bilhes (3,1% do PIB); combate = U$121 bilhes (1,38% do PIB);

economia de 25-30% (1% do PIB), se adotadas prticas conhecidas de combate e preveno

2. Classificao da Corroso quanto natureza

Corroso Qumica

ataque de um agente qumico diretamente sobre o material (metlico ou no)

no necessita da presena de gua

Corroso por um gs na ausncia de camada protetora;

Corroso em solues no-aquosas (alguns solventes orgnicos ou inorgnicos);

Ex.: Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2


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Corroso de materiais no metlicos (degradao).

Exs.:

Polmeros (plsticos) => reaes qumicas (como hidrlise do PET) causam quebra das macromolculas com perda das caractersticas do material;

Concretos => destruio pela ao dos

poluentes

Corroso Eletroqumica

processo espontneo que ocorre quando o metal ou liga est em contato com um eletrlito

corroso qumica em poste de concreto


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acontecem, simultaneamente, reaes andicas e catdicas.

realiza-se necessariamente na presena de gua

Ex.: Formao de ferrugem

reao andica (oxidao): Fe Fe 2+ + 2e- reao catdica (reduo): 2 H2O + 2e- H2 + 2 OH- Regio intermediria: Fe2+ + 2 OH Fe(OH)2 hidrxido ferroso

Deslocamento de eltrons e ons => transferncia dos eltrons das regies andicas para as catdicas pelo circuito metlico e uma difuso de nions e ctions na

soluo

Processo andico => passagem de ons para a soluo

Processo catdico => recepo de eltrons, na rea catdica


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Em alta % de O2: 2 Fe(OH)2 + H2O + O2 2 Fe(OH)3 2 Fe(OH)3 Fe2O3.H2O + 2 H2O Em baixa % de O2: 3 Fe(OH)2 Fe3O4 + 2 H2O + H2 Ocorrncias: Corroso atmosfrica

Corroso por solues aquosas Corroso no solo em presena de umidade Corroso por um gs em presena de uma camada de corroso (filme).

Corroso Eletroltica

tipo de processo eletroqumico no-espontneo provocado por correntes de fuga

aplicao de corrente eltrica externa

alaranjado/ castanho-avermelhado

preto


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Costuma ocorrer em tubulaes submersas ou enterradas (oleodutos, gasodutos, adutoras, cabos telefnicos)

metal forado a agir como anodo ativo

isolamento deficincias

aterramento

3. Oxidao, Reduo e Sistemas REDOX Genericamente:

M Mn+ + ne-

reao que representa o desgaste de um metal (corroso)

corroso eletroltica em tubulao industrial


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3.1 Nmero de Oxidao

a carga real ou aparente que um tomo adquire quando estabelece uma ligao (inica ou covalente) com outros tomos. perda ou ganho de e- (lig. inica) carga diferena de eletronegatividade

(lig. covalente)

Regras bsicas para a previso do Nox

1) O nmero de oxidao de um elemento em uma substncia simples (Exs.: H2, N2, O2) igual a zero;

2) A soma dos nmeros de oxidao de todos os tomos em um composto igual a zero;

3) Quando se encontra combinado, o nmero de oxidao do hidrognio sempre +1 (exceto nos hidretos metlicos em que toma o valor -1);

4) O oxignio tem nmero de oxidao -2, exceto no caso de perxidos (Ex.: H2O2), em que igual a -1 e de superxidos (Ex.: NaO2), onde igual a -1/2.

5) O nmero de oxidao dos halognios geralmente -1, exceto se combinado com oxignio ou outros halognios mais eletronegativos. No caso do flor seu nmero de oxidao sempre -1.

6) Os ons monoatmicos tm o nmero de oxidao igual sua prpria carga (Exs.: Na+, Cl-; Al3+);


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7) A soma dos nmeros de oxidao de todos os tomos de um on poliatmico sempre igual carga do on.

3.2 Oxidao e Reduo

Oxidao => aumento no nmero de oxidao Reduo => diminuio do nmero de oxidao Semi-equaes: A An+ + n e- oxidao

Bn+ + n e- Bn- reduo

3.3 Sistemas REDOX

Reao REDOX

transferncia de eltrons

Reao de oxidao => perda de eltrons Reao de reduo => ganho de eltrons Agente Oxidante => oxida o outro elemento e se reduz Agente Redutor => reduz o outro elemento e se oxida


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3.3 Tabela de potenciais de reduo

Baseia-se no eletrodo padro de hidrognio (E = 0,0V medido a 25C e 1mol/L)


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4. Pilhas eletroqumicas 4.1 Conceitos

So dispositivos capazes de transformar energia qumica em energia eltrica ou energia eltrica em energia qumica.

Eletrodo => material condutor de eletricidade, que promove transferncia de eltrons entre o circuito e o meio em que est inserido Anodo => eletrodo em que h oxidao (corroso) Catodo => eletrodo em que h reduo Eletrlito => condutor contendo ons que transportam a corrente eltrica do anodo para o catodo Circuito metlico => ligao metlica entre o anodo e o catodo por onde escoam os eltrons. Retirando-se do sistema: catodo, eletrlito ou circuito metlico, destri-se a pilha => impede-se a corroso A fora eletromotriz de uma pilha a diferena de

potencial (ddp) entre os eletrodos

A ddp est presente em um sistema quando:


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Os eletrodos so constitudos de diferentes substncias e possuem, portanto, diferentes potenciais

ou

Os eletrodos so da mesma substncia, mas as solues contm concentraes diferentes

ou

Os eletrodos so da mesma substncia e as solues contm concentraes iguais, mas os eletrodos esto submetidos a diferentes presses parciais de substncias gasosas

Ecel = Ered (catodo) - Ered (anodo)

Se o potencial de reduo da clula for positivo

Reao espontnea

Exemplo

Segundo a tabela de potenciais padro


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Semi-equaes:

oxidao Zn (s) Zn2+(aq) + 2e (+0,76V)

reduo Cu2+(aq) + 2e Cu(s) (+0,34V)

Eq. Global Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) Dessa forma:

cede eltrons Zn a espcie redutora

sofre oxidao

ganha eltrons

Cu2+ a espcie oxidante sofre reduo


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4.2 Reaes andicas e catdicas A Reao andica na corroso de um metal

representada por: M Mn+ + ne-

Dependendo do meio, podero ocorrer reaes catdicas preferenciais como:

Reduo do on H+

(meio cido) n H+ + n e- n/2 H2

(meio neutro)

H2O H+ + OH- (1) H+ + e- 1/2 H2 (2)

H2O + e- 1/2 H2 + OH- (1+2)

Reduo do O2

(meio cido) n/4 O2 + n H+ + n e- n/2 H2O

(meio neutro ou bsico) n/4 O2 + n/2 H2O + n e- n OH-

Em presena de ons em estado mais oxidado em soluo

M3+ + e- M2+

Pela reduo de ons de metal mais nobre

Mn+ + n e- M


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Conseqncias gerais:

Decrscimo na acidez (em meio cido) e acrscimo na alcalinidade (em meio bsico) no entorno da regio catdica

Em meios no-aerados h liberao de H2, que pode ficar adsorvido no metal acarretando sobretenso => polarizao catdica (processo de corroso retardado)

Em meios aerados h consumo de H2, no ocorrendo a sobretenso => ausncia de polarizao catdica (processo de corroso acelerado)

Obs:

1) Em geral, os produtos de corroso so compostos insolveis formados entre o on do metal e a hidroxila. Assim, na maioria dos casos, verifica-se como produto de corroso um hidrxido do metal corrodo ou um xido hidratado do metal. (ex.: ferrugem).

2) Em presena de outros ons no eletrlito, poder haver a formao de outros componentes insolveis => sulfetos, sulfatos, cloretos, e outros (ex.: Ag2S).


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4.3 Tipos de pilhas

Pilha de eletrodos metlicos diferentes (Galvnica) => ocorre quando dois metais ou ligas diferentes esto em contato entre si e imersos num mesmo eletrlito. Casos particulares:

pilha ativa-passiva => formao de uma pelcula fina e aderente de xido ou outro composto insolvel na superfcie de metais como alumnio, chumbo, ao inoxidvel, titnio, ferro e cromo, funcionando como reas catdicas

pilha de ao local => em geral ocorre devido a impurezas; essas regies tornam-se mais susceptveis ao ataque do meio e terminam funcionando como microcatodos, enquanto o resto do metal age como anodo e sofre corroso.


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Fonte: Gentil, 2003

Pilhas de concentrao => ocorre com materiais metlicos de mesma natureza, em contato com diferentes concentraes de um mesmo eletrlito, sendo capazes de gerar diferena de potencial. Casos particulares:

pilha de concentrao inica => presena de um mesmo eletrlito em diferentes concentraes

Corroso galvnica em tubo de ao carbono em com vlvula de lato (mais acentuada no

encontro entre os dois metais ao funciona

como anodo)


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pilha de aerao diferencial => as concentraes de eletrlito so uniformes, porm apresentam regies com diferentes teores de gases dissolvidos

Gota salina (Evans, 1926) R. andica Fe Fe2+ + 2e-

R. catdica O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH-

Pilha ou Clula Eletroltica

processo no-espontneo

a polaridade dos eletrodos pode ser

mudada

mudana na direo da corrente

a diferena de potencial fornecida atravs de fonte de energia externa


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A pilha ou clula eletroltica que tem importncia no estudo da corroso aquela em que um dos eletrodos funciona como anodo ativo (perdendo eltrons e oxidando-se).

5. Mtodos de Controle da Corroso

5.1 Isolamento Eltrico Isolamento da superfcie de outras estruturas

metlicas estranhas (tubulaes, condutes eltricos e ao de reforo concretado) 5.2 Revestimentos Constituem-se de pelculas interpostas entre o

metal e o meio corrosivo. Dessa forma, alm de agir como barreiras isolando o metal do meio, podem conferir ao material um comportamento mais nobre, ou proteg-lo por ao galvnica. Usos: resistncias corroso atmosfrica, na imerso e na corroso pelo solo. 5.3 Proteo catdica Consiste em transformar a estrutura a proteger

no catodo de um clula eletroqumica ou eletroltica.


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Quando um sistema de proteo catdica eficaz instalado, todas as partes da corrente coletada da estrutura protegida do eletrlito circunvizinho e toda a superfcie exposta se tornam uma nica rea catdica.

5.3.1 Proteo catdica galvnica (ou por anodo de sacrifcio) Utiliza uma fora eletromotriz de natureza

galvnica para imprimir a corrente necessria proteo da estrutura considerada. A fora eletromotriz resulta da diferena entre o potencial natural do anodo e o potencial da estrutura que se deseja proteger. Anodos de sacrifcio mais comuns: Ligas de magnsio, ligas de alumnio e ligas de zinco. Ex.: Instalaes martimas.

5.3.2 Proteo catdica por corrente impressa Utiliza uma fora eletromotriz, proveniente de

uma fonte de corrente contnua, para imprimir a corrente necessria proteo da estrutura considerada. A fora eletromotriz pode provir de baterias convencionais, solares, termogeradores, conjuntos motor-gerador ou retificadores de corrente. Os retificadores constituem a fonte mais freqentemente utilizada, e atravs deles retifica-se uma corrente alternada, obtendo-se uma corrente contnua que injetada no circuito de proteo.


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Os anodos mais empregados so os de grafite, ferro-silcio, ferro-silcio-cromo, chumbo-antimnio-prata, titnio platinizado, nibio platinizado e magnetita. 6. Inibidores de corroso Compostos qumicos adicionados ao meio corrosivo

que visam diminuir a agressividade do meio corrosivo.

Inibio andica => formao de produtos insolveis nas reas andicas, produzindo uma polarizao andica. Os compostos formados so tambm chamados de passivadores. Este mtodo funciona somente com metais ou ligas formadores de pelcula protetora (titnio, cromo, ligas de ferro-cromo, ligas de ferro-cromo-nquel). Exemplos: hidrxidos, carbonatos, fosfatos, silicatos, boratos de metais alcalinos, nitrito de sdio e cromatos de potssio e sdio.

Inibio catdica => formao de produtos insolveis nas reas catdicas, produzindo uma polarizao catdica. Nesse caso, o metal forado a agir como catodo. Exemplos: sulfatos de zinco, magnsio ou nquel. Usos: estruturas enterradas ou submersas.


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Inibio por barreira (inibidores por adsoro) => compostos que tm a propriedade de formar pelculas, por adsoro superfcie metlica, criando uma pelcula protetora sobre as reas andicas e catdicas. Exemplos: sabes de metais pesados, aminas urias.

Seqestradores de oxignio => compostos que reagem com o oxignio promovendo a desaerao do meio. Exemplos: Sulfito de sdio (Na2SO3 + O2 Na2SO4) Hidrazina (N2H4 + O2 N2 + 2 H2O) Algumas aplicaes dos inibidores => destilao do petrleo; tratamento de guas (caldeiras, refrigerao e injeo); sistemas de oleodutos e gasodutos, etc.

7. Classificao da corroso quanto morfologia (Formas de corroso)

Definidas principalmente pela aparncia da superfcie corroda.

Corroso uniforme Ataque de toda a superfcie metlica em contato com o meio corrosivo, com conseqente diminuio uniforme da espessura. provavelmente


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o tipo mais comum de corroso, principalmente nos processos corrosivos de estruturas expostas atmosfera e outros meios onde a ao do meio corrosivo uniforme sobre a superfcie metlica.

Fonte: Gentil, 2003

Corroso por placas Localiza-se em algumas regies da superfcie metlica, formando placas que se desprendem progressivamente. Ocorre geralmente em metais que formam pelcula inicialmente protetora, mas que, ao se tornarem espessas, fraturam e perdem aderncia, expondo o material a novo ataque.

Corroso alveolar Processa-se na superfcie metlica produzindo sulcos ou escavaes semelhantes a alvolos, apresentando fundo arredondado e profundidade geralmente menor que o seu dimetro. freqente em metais formadores de pelculas semi-protetoras ou quando se tem corroso sob depsito, como no caso da corroso por aerao diferencial.

corroso uniforme em chapa de ao

carbono


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Fonte: www.coating.com.br

Corroso por pite (puntiforme)

Processa-se em pontos ou pequenas reas localizadas na superfcie metlica produzindo pites (cavidades com profundidades maiores que seus dimetros). freqente em metais formadores de pelculas protetoras, que sob a ao de certos agentes agressivos (ons halogenetos), so destrudas em pontos localizados, os quais se tornam ativos, possibilitando corroso muito intensa. Exemplo: aos inoxidveis em meios que contm cloretos.

Fonte: Gentil, 2003

Corroso intergranular ou intercristalina Processa-se entre os gros da rede cristalina do material metlico. Em geral, ocorre perda das propriedades mecnicas e pode fraturar quando solicitado por esforos mecnicos. Aos inoxidveis

corroso por pite em tubo de ao-carbono

corroso alveolar em superfcie de ao

carbono


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podem sofrer corroso intergranular devido formao de uma zona empobrecida em cromo ao longo dos contornos do gro.

Fonte: Gentil, 2003

Corroso intragranular ou transcristalina Manifesta-se sob a forma de trincas que se propagam pelo interior dos gros da rede cristalina do material metlico.

Fonte: Gentil, 2003

Corroso filiforme Processa-se sob filmes e revestimentos, especialmente de pintura. Acredita-se que ela ocorra devido aerao diferencial provocada por defeito no filme de pintura, embora o mecanismo real no seja bem conhecido. De um modo geral, o

corroso intragranular

corroso intergranular


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processo se inicia pelas bordas e progride unifilarmente.

Corroso por esfoliao Processa-se em diferentes camadas e os produtos de corroso, formado entre a estrutura de gros alongados, separa as camadas, ocasionando o inchamento do material metlico.

Fonte: www.abraco.org.br

Empolamento por hidrognio

O hidrognio atmico penetra no material metlico e, como tem pequeno volume atmico, difunde-se rapidamente e em regies com descontinuidades (como incluses e vazios), ele se transforma em hidrognio molecular (H2), exercendo presso e originado a formao de bolhas. Principais causas do aparecimento de hidrognio: decomposio da umidade e gua de cristalizao contida em alguns tipos de revestimento de eletrodo que gera hidrognio atmico no processo de soldagem; reaes de corroso que liberam hidrognio; reaes catdicas em estruturas protegidas catodicamente; ao de gases ricos em hidrognio.

corroso por esfoliao em escada de ao

Qumica XI - Prof Flvia Omena gua

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1. Introduo 1.1 Caractersticas

substncia incolor, inspida e inodora, lquida temperatura ambiente, que cobre mais de 70% da superfcie terrestre, sendo componente vital para o planeta

conhecida como solvente universal por solubilizar com facilidade muitos compostos, inorgnicos e orgnicos

95,5% da gua do planeta salgada e imprpria para consumo humano; 4,7% esto em geleiras ou regies de difcil acesso; 0,147% (lagos, nascentes e lenis freticos) esto aptos para o consumo

Brasil => imenso potencial hdrico (36000 m3/hab), porm mal distribudo:

regio amaznica => 80% (5% da populao)

regio nordeste => 3,3% (1/3 da populao)


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1.2 Principais usos da gua

Abastecimento domstico e industrial; irrigao; preservao da flora e fauna; recreao e lazer; aqicultura; paisagismo; navegao; gerao de energia; diluio de despejos; dessedentao de animais

1.3 Alguns tipos de gua

gua bruta => proveniente de uma fonte de abastecimento, antes de qualquer tratamento

gua pura => composta, exclusivamente, por hidrognio e oxignio; no h ocorrncia na natureza, pois por onde a gua passa ela incorpora substncias que iro alterar suas caractersticas originais

gua de fonte ou gua mineral => contm substncias minerais e gasosas dissolvidas, podendo ser alcalina, sulfurosa, ferruginosa, etc, conforme o principal mineral dissolvido, decorrendo da suas propriedades medicinais

gua gaseificada => recebe acrscimo de dixido de carbono artificialmente, podendo ser ou no enriquecida de sais minerais; existem fontes naturais de gua gaseificada, mas parte do gs se perde no processo de engarrafamento


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gua poluda => gua suja ou contaminada gua potvel => gua para consumo humano cujos parmetros microbiolgicos, fsicos, qumicos e radioativos atendam ao padro de potabilidade e que no oferea riscos sade

gua tratada => gua submetida a um processo de tratamento, com o objetivo de torn-la adequada a um determinado uso

gua salobra - gua com teor de sais que, dependendo da concentrao, impede seu consumo pelo homem e animais

1.4 Parmetros de qualidade da gua

Fsicos

Turbidez interferncia passagem da luz atravs da gua, devido

matria em suspenso (argila, substncias orgnicas finamente divididas, organismos microscpicos e outros)

Cor conferida pelos slidos dissolvidos; pode ser causada pela

presena de ferro ou mangans, pela decomposio da matria orgnica da gua (principalmente vegetais), pelas algas ou por

esgotos industriais e domsticos


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Qumicos

pH concentrao de ons H+, indicando condies de acidez, alcalinidade ou neutralidade; importante em etapas do

tratamento de gua e em processos de corroso e incrustao

Alcalinidade causada pela presena de sais alcalinos, podendo proporcionar

sabor desagradvel gua; reflete a capacidade de neutralizao de cidos.

Sabor e Odor so definidos pelos slidos em suspenso e slidos ou gases dissolvidos, presentes por causas naturais (bactrias, fungos, matria em decomposio, algas) ou artificiais (despejos

domsticos ou industriais)

Condutividade a capacidade da gua transmitir a corrente eltrica pela

presena de ons determinada pela dissociao de substncias dissolvidas na gua

Dureza relacionada presena de sais (principalmente de clcio e magnsio), tem importncia nos processos de depsito e

incrustaes

Slidos presentes em suspenso ou dissolvidos, sob a forma de matria

fixa ou voltil, sedimentvel ou no-sedimentvel


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Ferro e Mangans conferem sabor metlico gua e causam colorao marrom

(mangans) ou avermelhada (ferro), manchando roupas e outros produtos industrializados; presentes pela dissoluo de

compostos do solo ou de despejos industriais

Cloretos em altas concentraes, conferem sabor salgado gua ou propriedades laxativas; provm da dissoluo de minerais, da

intruso de guas do mar ou dos esgotos.

Nitrognio presente na gua sob a forma molecular, amnia, nitritos e

nitratos, um elemento indispensvel ao crescimento de algas (mas em excesso pode causar eutrofizao). Tem origem nos esgotos domsticos e industriais, nos fertilizantes e em

excrementos de animais.

Fsforo encontra-se sob a forma de ortofosfatos, polifosfatos e fsforo orgnico; essencial para o crescimento de algas, podendo tambm causar eutrofizao quando em excesso.

Provm da dissoluo de compostos do solo, da decomposio da matria orgnica, dos esgotos domsticos e industriais, dos fertilizantes e detergentes e dos excrementos de animais.

Substncias txicas As, Pb, Cr, B, Se, Ba, CN-, NO3-, F-, relacionados a doenas


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Biolgicos

Oxignio dissolvido (OD) indispensvel aos organismos aerbios; a decomposio da matria orgnica por bactrias aerbias , geralmente, acompanhada pela reduo do oxignio dissolvido da gua,

podendo este alcanar valores reduzidos ou nulos, dependendo da capacidade de recuperao do manancial.

Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO) quantidade de O2 necessria oxidao da matria orgnica

por ao de bactrias aerbias.

Coliformes indicam a presena de microrganismos patognicos, devido ao

despejo de esgotos domsticos

Algas responsveis pela produo de grande parte do oxignio

dissolvido na gua; em grandes quantidades levam ao processo de eutrofizao, causando na gua sabor, odor, toxidez, turbidez e cor, corroso e aspecto esttico desagradvel.

Demanda Qumica de Oxignio (DQO) quantidade de O2 necessria oxidao da matria orgnica, atravs de um agente qumico; a DQO sempre maior que a

DBO.


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2. Estao de Tratamento de guas (ETA)

Etapas do Processo

Esquema de uma ETA

3. Tratamento de guas para uso domstico

3.1 Pr-decantao (Sedimentao Simples) aplicada em guas que possuem partculas

suspensas de tamanho superior a 10 mcrons.


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3.2 Clarificao Visa remover a cor e a turbidez da gua; consiste

em trs etapas: coagulao/floculao, decantao e filtrao.

Coagulao/floculao

Coagulao => desestabilizao dos colides (partculas entre 1-100 nm), por ao de produto qumico, que resulta na neutralizao das foras eltricas superficiais, anulando as foras repulsivas entre as partculas.

Floculao => aglomerao das partculas desestabilizadas, com formao e crescimento de flocos sedimentveis

Reagentes usados na coagulao

Coagulantes: compostos capazes de produzir hidrxidos gelatinosos insolveis e englobar as impurezas exs: Al2(SO4)3.18H2O e FeCl3.6H2O

Alcalinizantes: conferem a alcalinidade necessria coagulao ex: Ca(OH)2 (cal hidratada)

Coadjuvantes: formam partculas mais densas, tornando os flocos mais pesados exs: slica ativa e polieletrlitos


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Decantao ou sedimentao ou precipitao => aps a coagulao, a gua bombeada para um decantador que sedimenta a matria coagulada.

Filtrao => passagem da gua atravs de um meio poroso com o propsito de remover a matria suspensa; os filtros geralmente utilizados so os de gravidade e os de presso.

3.3 Correo de pH

utilizada como mtodo preventivo da corroso de encanamentos, diminuindo o ataque da acidez nas tubulaes; acalinizantes, como a cal hidratada ou a cal virgem (CaO), corrigem o pH da gua para remover o CO2 livre.

3.4 Desinfeco

Realizada atravs de clorao com hipoclorito de sdio ou cloro gasoso, (posteriormente removidos das guas utilizadas como alimentao de caldeiras), visam obteno de um meio isento de microorganismos patognicos. 3.5 Fluoretao Etapa implementada como coadjuvante na preveno

da crie dental; objetiva a preveno da decomposio do esmalte dos dentes e o auxlio na produo natural de dentes mais resistentes.


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4. gua dura gua com teores elevados de sais, principalmente de

clcio (Ca2+) e magnsio (Mg2+). A gua pode ser classificada quanto a dureza de acordo com a concentrao em mg/L de CaCO3

gua branda 0 75 mg/L CaCO3

guas pouco duras 75 150 mg/L CaCO3

guas duras 150 300 mg/L CaCO3

guas muito duras > 300 mg/L CaCO3

mais comum a incidncia natural na Europa no representa riscos sade, porm pode provocar incrustaes e entupimentos em tubulaes

no produz ou produz pouca espuma em contato com o sabo

formao de precipitado com Ca2+ e Mg2+

Processo geral de formao da gua dura: gua naturalmente cida (contendo a partir de 2,0mg CO2/L) em contato com rochas ricas em calcita (CaCO3) e dolomita (CaMg(CO3)2)


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Reaes: CaCO3 Ca2+ + CO32-

insolvel

CO2 + H2O H+ + HCO3-

Ca2+ + 2 HCO3- Ca(HCO3)2 solvel

4.1 Dureza total

expressa como a soma das durezas temporria e permanente.

4.2 Dureza temporria

Inerente aos bicarbonatos, que na presena de calor, transformam-se em carbonatos (insolveis ou pouco solveis), podendo ser removidos sob a forma de precipitados.

Reaes:

Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2 insolvel

Mg(HCO3)2 MgCO3 + H2O + CO2

pouco solvel


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MgCO3 + H2O Mg(OH)2 + CO2 insolvel

4.3 Dureza permanente

dada pela presena de sulfatos, cloretos e

nitratos. No pode ser removida apenas pelo calor, necessitando de tratamentos com agentes qumicos ou colunas de troca inica.

5. Tratamento de guas industriais

A gua usada para fins industriais necessita de tratamentos especializados aps o tratamento primrio, principalmente quando usadas para gerao de vapor. Os processos normalmente utilizados so a desaerao, o abrandamento e a desmineralizao. 5.1 Desaerao

Tem por objetivo a retirada de O2 e CO2 dissolvidos na gua, pelo uso de desaeradores. 5.2 Abrandamento de guas

Consiste no tratamento das guas para a remoo

de ons Ca2+ e Mg2+, presentes principalmente sob a forma de carbonatos, sulfatos e cloretos


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Tcnicas utilizadas

adio de agentes qumicos => Ca(OH)2 e

Na2CO3

O hidrxido de clcio (cal) reage com o CO2 livre Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

e com os bicarbonatos de clcio e de magnsio Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 2CaCO3 + 2H2O

Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 CaCO3 + MgCO3 + 2H2O

O magnsio precipita sob a forma de hidrxido de

magnsio, conforme as reaes: MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + Mg(OH)2 MgSO4 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaSO4

Para o sulfato de clcio necessrio do uso do carbonato de sdio:

Na2CO3 + CaSO4 CaCO3 + Na2SO4

Aps o processo, a gua tratada deve passar por um tanque de sedimentao.

Para melhor precipitao de Ca2+ e Mg2+, deve-se ajustar o pH entre 10 e 11.


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complexao (c/ EDTA) => o EDTA forma complexos estveis e solveis com os ons Ca2+ e Mg2+, proporcionando a diminuio de precipitados.

resinas de troca inica catinicas => O processo de abrandamento catinico consiste em passar gua por um leito de resinas, efetuando a troca de clcio e magnsio por sdio. Quando as resinas estiverem saturadas, dever ser efetuada a sua regenerao.

5.3 Desmineralizao

Consiste na remoo de todos os ons presentes na gua, atravs de resinas de troca inica catinicas e aninicas; tambm chamado de deionizao. A gua passa por resinas catinicas e aninicas, em conjunto ou separadamente.

OBS: um dos primeiros trocadores de ctions foram os zelitos (troca de clcio e magnsio por sdio); como os

zelitos no eram resistentes ao cido foram desenvolvidas resinas sintticas para realizar o abrandamento catinico.


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resina catinica

OBS: recomendvel a instalao de um desaerador (eliminao de CO2) aps a troca catinica para poupar as resinas aninicas. A gua deve estar isenta de cloro e matria orgnica, para no

deteriorar as resinas aninicas.

Resinas de troca inica produtos slidos e insolveis, geralmente na forma de

esferas, apresentando a propriedade de trocar determinados ons que contm, pelos ons dos sais

dissolvidos em gua

Polmeros portadores de uma carga eltrica que neutralizada pela carga do contra-on

resina aninica


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Classificao das resinas de troca inica

feita de acordo com o grupo ionizvel preso estrutura da resina

Resinas catinicas fortemente cidas => sendo o grupo ionizvel o sulfnico, seu comportamento qumico similar ao de um cido forte; so facilmente ionizveis, ao longo de toda a faixa de pH. Podem ser usadas para abrandamento na forma sdica (R-SO3Na) e para descarbonatao ou desmineralizao na forma cida (R-SO3H)

Abrandamento:

Ca2+ Ca2+ + 2 RNa 2 Na+ + R2 Mg2+ Mg2+

Descarbonatao/desmineralizao

Ca2+ Ca Mg2+ + 2 RH 2 Na+ + Mg R2

2 Na+ 2 Na


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Resinas catinicas fracamente cidas => o grupo ionizvel um cido carboxlico (COOH), portanto esto pouco ionizadas e se comportam como cidos orgnicos fracos. So usadas para a remoo de clcio, magnsio e sdio ligados a nions fracos (como bicarbonato) em guas com dureza temporria predominantemente elevada. Possuem capacidade de troca menor que as fortemente cidas

Resinas catinicas so regeneradas com cido clordrico (HCl) ou sulfrico (H2SO4).

Resinas aninicas fortemente bsicas => resinas altamente ionizveis, podendo ser usadas ao longo de toda a faixa de pH. Esto divididas em dois subgrupos: Tipo I (o grupo funcional o amnio quaternrio, que possui carter bsico mais forte, resultando em uma menor fuga de ons,

Ca2+ Ca

Mg2+ (HCO3)2 + 2 R-COOH 2 R-COO + Mg H2CO3 2 Na+ 2 Na


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principalmente slica) e Tipo II (o grupo funcional um amnio quaternrio levemente modificado, cujo carter bsico no possibilita a remoo de slica, apesar de forte. Todas as resinas aninicas fortemente bsicas removem nions fortes e fracos, tais como cloretos, sulfatos, nitratos, bicarbonatos e silicatos

Resinas aninicas fracamente bsicas =>; possuem como grupo funcional poliamidas contendo aminas primrias (-NH2), secundrias (-NHR) ou tercirias (-NR2). O grau de ionizao fortemente influenciado pelo pH (operam bem em pHs baixos); s removem nions de cidos fortes (cloretos, sulfatos e nitratos), no se aplicando para remoo de nions fracamente ionizveis (silicato e bicarbonato)

H2SO4 SO42-

2 HCl + 2 R-OH 2 R 2 Cl- + 2 H2O 2 HNO3 2 NO3-


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Resinas aninicas so regeneradas com hidrxido de sdio (NaOH).

Resinas quelantes seletivas para metais pesados => resinas fracamente cidas que exibem alta seletividade para os ctions de metais pesados; o grupo funcional a forma sdica do EDTA.

A capacidade de troca inica depende

carga e raio dos ons que entram no trocador concentrao dos ons no efluente

natureza fsico-qumica da substncia trocadora temperatura

H2SO4 SO42-

2 HCl + 2 R-OH 2 R 2 Cl- + 2 H2O 2 HNO3 2 NO3-


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6. Incrustao em caldeiras

6.1 Conceitos Caldeiras (boilers) so equipamentos cuja finalidade

a gerao de vapor.

Vapor => a gua no estado gasoso; ao se condensar, a mesma energia que as molculas absorveram para passar para fase vapor liberada para o meio (transferncia de energia na forma de calor)

Vapor saturado => vapor mido obtido da vaporizao direta da gua; ao se condensar este tipo de vapor cede calor latente. usado para aquecimento direto ou indireto.

Vapor superaquecido => obtido atravs do aquecimento do vapor saturado, resultando em um vapor seco. usado para transferncia de energia cintica (gerao de trabalho mecnico)

Incrustaes => acmulos de materiais fortemente aderidos sobre a superfcie da caldeira, necessitando de esforos considerveis para sua remoo (limpezas mecnicas ou qumicas). Origem: precipitao de sais e/ou xidos na forma cristalina, gerando incrustaes altamente coesas e aderidas.


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Depsitos => acmulos de materiais sobre determinada superfcie que podem ser removidos manualmente com facilidade; podem prejudicar a troca trmica e o escoamento da gua, mesmo estando menos aderidos que as incrustaes. Origem: materiais suspensos na gua, sais condicionados no expurgados pelas descargas ou carbonizaes de material orgnico contaminante.

Fonte: www.tratamentodeagua.com.br


Tubulao de caldeira aquatubular

com elevada quantidade de lama (proveniente de gua

bruta)

Tubo de caldeira aquatubular

incrustado com xido frrico


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Tipos de caldeiras Fogotubulares (ou Flamotubulares) => os gases da combusto circulam no interior dos tubos e a gua a ser vaporizada circula pelo lado de fora. A produo de vapor limitada a cerca de 40 t/h e presso de operao mxima de 16 Kgf/cm2

Caldeira fogotubular com tubos

incrustados (dureza) e acmulo de lama no

fundo

Fonte: www.chdvalvulas.com.br

Fonte: www.montercal.com.br


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Aquatubulares => a gua circula no interior dos tubos e os gases de combusto circulam na parte externa dos tubos. Surgiram devido necessidade de maior produo de vapor, podendo chegar a valores superiores a 200 t/h e presso de operao da ordem de 300 Kgf/cm2

(caldeiras supercrticas)

Fonte: www.chdvalvulas.com.br


OBS: Para um bom desempenho e eficincia de caldeiras (principalmente aquatubulares), so utilizados equipamentos perifricos, tais como aquecedores de ar, economizadores, sopradores de fuligem e superaquecedores.


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6.2 Principais responsveis e mecanismo de formao de incrustaes em caldeiras

Sais de clcio e magnsio (dureza), principalmente carbonato de clcio (CaCO3) e sulfato de clcio (CaSO4)

Slica solvel (SiO2) e silicatos (SiO32-) de vrios ctions. A slica solvel oriunda da dissoluo de parte da prpria areia e rochas com as quais a gua mantm contato

xidos de ferro, tais como o Fe2O3 e de outros metais (cobre, zinco) originados principalmente de processos corrosivos nas linhas de condensado e seo pr-caldeira

Materiais orgnicos contaminantes, tais como fluidos envolvidos no processo (sucos, licor, caldo, xaropes, etc.). Muitas vezes a contaminao se d pelos condensados

Mecanismo de formao de incrustaes em caldeiras

precipitao

vaporizao da gua no interior da caldeira

concentrao dos sais presentes


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6.3 Principais conseqncias das incrustaes em caldeiras Diminuio das taxas de troca trmica

efeito isolante (baixa condutividade

trmica)

Aumento do consumo de combustvel e diminuio da produo de vapor

Superaquecimento e ruptura de tubos

Obstruo de tubos, vlvulas, descargas e coletores da caldeira

acentuao da formao das

incrustaes

Danificao na estrutura da caldeira, comprometendo sua integridade ou inutilizando o equipamento

Aumento do risco de acidentes devido s incrustaes em instrumentos e dispositivos de controle que comprometem o funcionamento dos equipamentos

Aumento nos processos corrosivos que ocorrem sob os depsitos/incrustaes


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6.4 Preveno de incrustaes Tratamentos externos das guas de alimentao

Objetivam a melhoria da qualidade da gua antes de sua introduo no gerador de vapor. Os tratamentos mais comuns so: remoo de cor e turbidez (clarificao da gua de alimentao); remoo de ferro e mangans (a oxidao dos ons Fe2+ e Mn2+ gera compostos insolveis que podem ser retirados por decantao e filtrao); remoo da dureza (por aquecimento, agentes qumicos que formam compostos insolveis ou resinas trocadoras de ctions); desmineralizao (remoo de todos os ons por resinas de troca inica); remoo de gases (pelo aumento da temperatura).

Tratamentos internos das guas das caldeiras

Realizados pela adio de produtos qumicos que reagem no interior da caldeira, tm como finalidades corrigir o valor de pH, remover o oxignio e neutralizar o cido carbnico nas linhas de vapor condensado, de forma a evitar incrustaes ou depsitos e corroso nas superfcies de gerao de vapor.

Desaerao Qumica => consiste na remoo de oxignio da gua da caldeira para preveno de corroso, por uso de agentes qumicos.


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Desaerao com sulfito de sdio (Na2SO3)

Na2SO3 + 1/2 O2 Na2SO4

Provoca aumento dos slidos dissolvidos na gua da caldeira.

Desaerao com hidrazina

N2H4 + O2 N2 + 2H2O

desprende-se com o vapor e expelido no desaerador

Evita o aumento de slidos dissolvidos na gua da caldeira.

Neutralizao do CO2 => o condensado pode se combinar ao CO2, formando cido carbnico (H2CO3) que ataca o ferro em meio aerado e no-aerado e o cobre em meio aerado, ocasionando corroso. A neutralizao em geral feita por adio aminas volteis e amnia.

apostila de química xi teoria - parte 1 e 2

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