capítulo 6 - variáveis de processos - densidade e ph

6A-

6.6 -

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APLICAÇÕES

,CAPITULO

CONCEITOS

Mi::OIÇAO DE pH

INTRODUÇÃO

It'l/TRODUÇÃO

CONCEITOS

MÉTODO DE MEDiÇÃO

INSTRUMENTOS DE MEDiÇÃO67.1 Eletrodo de Medição6.7.2 Eletrodo de Referência

r.1E[)IDORES DE DENSIDADE6.3.TDensímetros

6.3.2. QensímetrÓAutocompensádÓ6.3.3.· Medidor de Densidade porpressão Hidrostática6.3.4·. Sistema déPurga

6.2 -

6.1 -

6.5 -

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b) ó gás

VARIÁVEIS DE PROCESSO - DENSIDADE E pH

MEDIÇAO DE DENSIDADE

6.1 - INTRODUÇÃO

Nos processos industriais a densidade é fator importantepara determinar a concentração de alguns produtosquímicos, como ácido sulfúrico, na correção de vazãode gases ou vapores, ou ainda na análise do produtofinal.

6.2 - CONCEITOS

Podemos definir a densidade relativa ( ó ) de um líquidoou sólido como sendo a massa (ou peso) específico deuma substância em relação a massa específica da água(1000 kg/m3 à 4°C).

No caso dos gases relaciona-se com a massa específicado ar (1,293 kg/m3 à O°C e 1 atm).

a) ó/~uido p líquidoágua

ó gásar

As unidades mais comuns são g/cm3, g/litro, kg/litro,kg/m3, ton/m3, Iibras/pé3 e libras/galão (americano).

As conversões são feitas como segue: 1g/cm3 = 1kg/litro= 1 ton/m3 = 1000 g/Iitro = 1000 kg/m3 = 62,43 libras/pé3= 8,345 libras/galão.

Algumas escalas especiais são comumente utilizadas:

• Escala Baumé (OBe), para líquidos mais emenos densos que a água;

6• Escala Balling (OBa), usada principalmentepara estimar a porcentagem de mosto decerveja na água, indica a porcentagem, empeso, de sólidos dissolvidos na água, a 60°F;

• Escala Barkometer (OBk), utilizada emcurtumes. Para líquidos mais e menos densosque a água;

.Escala "Proof', indica o dobro daporcentagem de álcool etílico, em volume, naágua.

6.3 - MEDIDORES DE DENSIDADE

Vários métodos são utilizados para se medir densidadede um fluído, tanto no processo como em laboratório.Segue-se os métodos mais utilizados:

6.3.1 - Densímetros (Hidrômetro ou Areômetro):consiste em um flutuador lastrado em sua parteinferior (onde contém pesos) e uma escalagraduada na parte superior. O dispositivotrabalha em equilíbrio com o líquido, quantomaior a densidade do líquido, maior a força deempuxo, ou seja, pelo princípio de Arquimedes,o peso do volume de líquido deslocado pelof1utuador é igual ao peso do próprio flutuador,deslocando-o para cima e equilibrando em novaposição. A leitura é feita diretamente na escalagravada na parte superior, tendo comoreferência a superfície do líquido. Este tipo dedensímetro é muito utilizado em medições locaisou de laboratório. Ver figo 1.

• Escala A.P.1. (OAPI), para produtos depetróleo;

• Escala Sikes, Richter ou Tralles indicadiretamente a porcentagem de álcool etílico, emvolume, na água;

• Escala Quevenne (oQ), para indústria doleite;

• Escala Twadell (OTw), para líquidos maisdensos que a água;

ESCALA

• Escala Brix (OBr), usada na indústriaaçucareira: indica a porcentagem de açucar(sacarose pura), em peso, na água. Atemperatura de referência varia de região pararegião: 17,5°C, 20°C, 60°F, etc.

SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO

Fig. 1 - DENSíMETRO

6.3.2 - Densímetro Autocompensado~ de usocomum em postos de serviço, para verificaçãodo álcool hidratado. Consiste em umtermômetro montado dentro de um densímetro

- 6.1 -

convencional. As escalas do termômetro e

hidrômetro são feitas de tal forma que a cadatemperatura corresponde a densidade máximaque o álcool pode ter, de conformidade com asnormas legais. Se a coluna líquida dotermômetro se sobressair acima da superfíciedo álcool, a densidade do mesmo está altademais, indicando que água está presenteacima do teor regulamentar, como ilustrado nafig .. 2.

densidade a distância, incorporando umtransdutor de indutância variável com aarmadura presa na parte inferior do flutuador.Ver figo 3.

Esses tipos de medidores são próprios paratrabalhar com líquidos limpos e sua faixa detrabalho varia de 0,5 a 4,0.

6.3.3 - Medidor de Densidade por PressãoHidrostática.

Baseia-se no princípio de Stevin, onde a pressãoexercida por uma coluna líquida variadiretamente em função de altura da coluna e dadensidade do líquido, como ilustrado na figo 4.

Mantendo-se a altura constante, temos a

variação da pressão apenas em função davariação da densidade.

Fig. 2 - DENSíMETRO AUTOCOMPENSADO

Todos os hidrômetros são instrumentos de

custo relativamente reduzido, com precisãoboa, sendo compatíveis com a maioria doslíquidos corrosivos, embora tenham algumaslimitações quanto à pressão e à temperatura. Aposição do f1utuador deve ser influenciadasomente pela densidade do líquido; emconsequência, devem ser minimizados osefeitos de velocidade, atrito, turbulência eviscosidade. Além disso, visto que seufuncionamento se baseia no peso dos mesmos,não é permitido qualquer acúmulo de materialaderente.

Fig. 4 - TRANSMISSOR DE DENSIDADE

A escala do indicador será graduada de 0,7 à

range do OT: (0,7 500 mm) a (1,2500mm)

range do OT: 350 a 600 mm H20

Para determinar o range do transmissor, épreciso conhecer a altura (h) e a variaçãomínima e máxima da densidade ( ó)

0,7 à 1,2500 mm

Exemplo:Ó (densidade) =h (altura )

1,2

I·/'/\iU'ARMADURA

- 6.2 -

Fig. 3 - DENSíMETRO INDUTIVO

Pode-se também transmitir o valor da

6.3.4 - Sistema de Purga: é um dos métodosmais utilizados devido a sua instalação simplese medição precisa (ver figo 5). Pode-se medir a


Ainda segundo Arrhenius, a água sofre umadissociação eletrolítica expontânea, originando os íonshidrônios e hidroxilas, segundo a expressão:

densidade de líquidos com característicasdiversas: líquido corrosivo, viscoso, pastoso,etc., pois o líquido não entra em contato com acâmara de medicão do transmissor.

H- + (2)

Comentário: a expressão (2) representa a teoriaclássica. A teoria atual considera o íon hidrônio H30+,admitindo a dissociação mais precisa:

Considera-se que uma solução que apresenteneutralidade ou seja uma solução não ácida e nãoalcalina, possui uma concentração iônica de [H30+] iguala [OH-), e que a 25°C o produto iônico desta solução éigual à 10-14.

Pelo exposto conclui-se que:

~)\-----j

ROTÂMETRO~/REGULADORA

DE PRESSÃO

+ ( 3)

Fig. 5 - SISTEMA DE PURGA

A pressão diferencial é fornecida através dadiferença de contra pressão das duas sondas epela variação da densidade do líquido.

° range transmissor é dado por:

p = h Ó min à h ó máx

MEDiÇÃO DE pH

6.4 - INTRODUÇÃO

10-14

Logo: 10-14

ou

Resultando em:

(5)

(6 )

(7)

(8)

Os medidores de pH ou (peagâmetros) são instrumentosanalíticos que, através da medição da concentração deíons hidrônios em uma solução aquosa, nos permiteconhecer o grau de acidez ou alcalinidade dessasolução.

6.5 - CONCEITOS

~

Observação: °mesmo pode ser calculado para o OHo que resultará em 10-7 para soluções neutras à 25°C.

Generalizando este fenômeno, podemos representaressa dissociação eletrolítica através da expressão:

Para entender melhor a relação entre pH, concentraçãoiônica e acidez/alcalinidade, precisamos antes conhecero que é "Dissociação Eletrolítica".

De acordo com a teoria clássica de Arrhenius, ácidos ebases (álcalis) são constituidos por soluções contendoíons, positivos e negativos, que se encontram livresnestas soluções, resultantes de moléculas que sedissociaram ou se combinaram, dando-se a essefenômeno o nome de dissociação eletrolítica.

AB ~

(ânion) (cátion)

B- (1 )

Com o aumento ou diminuição da concentração de íonshidrônios ou hidroxilas em uma solução teremos umamaior ou menor acidez/alcalinidade dessa solução. Deposse desses valores pode-se estabelecer relações taiscomo:

Produto 10"~ 10'" 10"'10'\' 10·'4 10-:~10 ,~ 10.'• 10 ''':\0''· 10·'4 10"": 10",4 10"": 10"..1

lônico

HP'

10-°10"' 1O-~ 1O.J 10''': 1O-~ 10'" 10"' 10-~ 10-9 lO-I1J 10'11 10"7 \0·1) 10"":

OH

lO-'·'O·lJ 10-':' 10'" 1O-'~ 1O.Q 10-8 10.1 10-1"10'~ 10.4 10.3 lO-} 10" 10-0

Faixa Ácida

NeutraFaixa Alcalina

Tabela 1: Acidez/Alcalinidade daConcentração de íons

SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO - 6.3 -

Através de um artifício matemático, surge através deSORENSEN, o pH (potencial hidrogeniônico) que, assimcomo o metro é uma medida de comprimento e o grauCelsius uma medida de temperatura, passariao pH a ser uma medida de acidezJalcalinidade de umasolução. Sorensen definiu pH pela expressãomatemática (11).

pH = log (11 )

° método' colorimétrico consiste em se empregarindicadores reativos que, em contato com a soluçãoaquosa que se quer medir o pH, apresenta alterações emsua coloração. Comparando-se a cor adquirida peloreativo com escalas coloridas graduadas, conhece-se ovalor do pH da solução.

As formas de utilização estes indicadores reativos maiscomuns são:

• tiras de papel impregnadas com os reativos;

É importante notar que a concentração iônica da águavaria com a temperatura, portanto o pH varia com atemperatura. Assim sendo, a água pura adquire osseguintes valores de pH:

À

ooeaH3O+ =0,34 10-7

logo:

pH=7,48

À

25°eaH3O+ =1,00 10-7

logo:

pH=7.00

À

500eaH3O+ 3,110-7

logo:

pH=6,52• Soluções que possuem os reativos aindainalterados.

Este método (colorimétrico) apresenta desvantagens,como por exemplo, ser descartável, não poder serutilizado em análises contínuas e apresentandoresultados muito imprecisos. São, no entanto, de fácilaplicação,o que consiste em uma vantagem.

° método que, teve sua aplicação inciada por volta de1906 por Cremer, estabelece que quando duas soluçõescom concentrações de íons hidrônios [H30+] diferentes,são separadas por uma membrana de vidro especial,surge entre as superfícies dessa membrana umadiferença de potencial proporcional a diferença de pHdessas soluções.

6.7 - INSTRUMENTOS DE MEDiÇÃO

Para se medir o pH de uma solução aquosa pelo métodoeletrométrico utiliza-se elementos denominadoseletrodos. Existem dois tipos de eletrodos. ° eletrodo demedição e o eletrodo de referência.

pH1

2 4567 911121314o 3 610

II I

..• t•ÁCIDOALCALINO

NEUTRO

Fig. 6 - ESCALA DE pH

Com base no descrito até agora podemos definir aescala de pH, conforme figo 6.

SOLuçAo TAMPAo

ELETRODO DE LIGAÇÃO.PRATA

Observação: embora a escala apresente valores de pHentre O e 14 existem valores de pH menores que O emaiores que 14 mas não são de interesse industrial.

6.6 - MÉTODOS DE MEDiÇÃO

Existem basicamente dois métodos de medição de pH.° método colorimétrico e método eletrométrico.

- 6.4 -

Fig. 7 - ELETRODO DE MEDiÇÃO

6.?1 - Eletrodo de Medição: o eletrodo demedição mais utilizado é o eletrodo demembrana de vidro (fig.?) que atende a cercade 99% dos casos. Consiste em uma membrana

de vidro sensível aos íons de [H30+] conectadaa um recepiente tubular herméticamente


fechado contendo em seu interior um outroeletrodo de ligação, este último geralmente deprata com a ponta recoberta com cloreto deprata imerso numa solução tampão, ou seja[HP+] constante.

Onde:EUn

pH ref =pH med=

= diferença de potencial= tensão do Normal (0,059Volts à 25°C)

pH da solução Tampão (pH 7)pH da solução à se medir

Entre a superfície interna da membrana devidro e a superfície externa surge umadiferença de potencial que é proporcional adiferença de concentração de íons hidrôniosentre elas. Este potencial depende dahidratação e de um fenômeno de troca decátions monovalentes do vidro por íonshidrônios da solução. No eletrodo ideal, amembrana apresenta mobilidade somente paraos íons H30+ por isso considerado um eletrodoseletivo. Como na superfície interna a soluçãoapresenta uma concentração de íons hidrôniosconstante (solução tampão) as variações dadiferença de potencial são função dasconcentrações de íons hidrônios das soluções ase medir (em contato com a superfície externado eletrodo),

TEMPERATURA

ooe

25°e500e1000e

pH

mVmVmVmv

°+379,33+414,12+448,84+518,21

1

+325,14+354,96+384,72+444,18

2

+270,95+295,80+320,60+370,15

3

+216,76+236,64+256,48+296,12

4

+162,57+177,48+192,36+222,09

5

+108,38+118,32+128,24+148,06

6

+ 54,19+ 59,16+ 64,12+ 74,03

7

0,000,000,000,00

8

- 54,19- 59,16- 64,12- 74,03

9

-108,38-118,32-128,24-148,06

10

-162,57-177.48-192,36- 222,09

11

-216,76- 236,64- 256,48-296,12

12

-270,95- 295,80-320,60-370,15

13

-325,14- 354,96-384,96-444,18

14

-379,33-414,12-448,84-518,21

Tabela 2 : Tabela (pH X mV)

A diferença de potencial, na membrana édeterminada matematicamente pela expressão:

I E = Un . (pHrer - pHmed) I


Pelo exposto temos que o potencial "E" é umafunção linear do pH da solução, e que estepotencial varia com a temperatura, conforme aTabela 2,

\E/

Fig. 8 - MEDiÇÃO DE PH SEM ELETRODO DEREFERÊNCIA

6.7.2 - Eletrodo de Referência: antes de

iniciarmos alguns comentários sobre o que vema ser o eletrodo de referência, vamos considerara medição feita com o eletrodo de vidro, comona figo 8.

Se analisarmos a figo 8, veremos que o eletrododo Pt2 se portará como o eletrodo de prata (nointerior do Pt,), sendo altamente sensível àsvariações do pH, temperatura, impossibilitandoa medição.

Dessa forma surge o eletrodo de referência queé constituido por um tubo de vidrohermeticamente fechado com um eletrodo de

prata imerso em um eletrólito, tendo na parteinferior uma substância porosa responsável pelafunção liquido - líquido.

O eletrólito, (KCL - Cloreto de Potássio) faz ajunção liquido - liquido ou seja, liga a parteexterna da solução à se medir o pH com a parteinterna do eletrodo de referência, Este contato é

feito através de uma junção porosa que pode serconstituída por um bloco de porcelana, vidrosinterizado, etc ...

A solução de KCL deve fluir permanentementeatravés de junção, renovando a interface dajunção líquido - líquido, para reduzir o potencialde iuncão, de magnitude variável e que se soma

- 6.5 -

algebricamente ao potencial da pilha constituídapelos dois eletrodos.

o potencial de junção é pratícamente constantequando duas espécies iônicas que constituem aparte eletrolítica apresentem mobilidadessemelhantes. Os íons de K+ e CL-satisfazem a

esta condição e por essa razão, o KCL é o maisutilizado.

solução do processo.

No eletrodo por difusão, ocorre apenas apassagem dos íons de eletrólito para a soluçãodo processo, ou seja, não há passagem demoléculas.

KCI

SUBSTÂNCIAPOROSA

...._--SUBSTÂNCIAPOROSA

MEMBRANA._

Fig. 11 - ELETRODO COMBINADO

Fig. 9 - ELETRODO DE REFERÊNCIA

A figo 9 mostra um eletrodo de referência. O sistemade medição fica então como ilustrado na figo 10.

Em algumas aplicações utiliza-se o eletrodo demedição e referência, fabricados num sóeletrodo, denominado eletrodo combinado. A figo

11 mostra um eletrodo combinado.

Sua aplicação é feita basicamente em soluçõescom baixa condutividade (1 à 3 S).

pH 7-.

",E

)

KCI

Fig. 10 - SISTEMA DE MEDiÇÃO

Os eletrodos de referência são classificados deduas formas:

Para fechar os conceitos de medidores de pH, éimportante frisar a existência do Potencial deAssímetria e o Eletrodo de Compensação deTemperatura.

O Potencial de Assimetria é a tensão queaparece entre as superfícies da membrana doeletrodo de medição mesmo quando ambos oslados dessa membrana estão em contato com

soluções com pH idênticos.

O Eletrodo de Compensação de Temperaturavísa compensar as variações de resposta doseletrodos com as alterações de temperatura,tornando-os imune a estas variações.

pH de algumas soluções:

14,0

12,5= 10,5 =9,5

=8,0

=7,0

6,7=4,3

=3,5

1,5• escoamento• difusão

No tipo de eletrodo de referência porescoamento (como já foi comentado), oeletrólito escoa lentamente em direção àsolução do processo. Nesse tipo de eletrodo, ésempre necessária a existência de uma pressãopositiva para forçar a sa ida do eletrólito e evitara contaminação interna do eletrólito pela

- 6.6 -

-Soda Cáustica à 4%-Leite de Cal-Leite de Magnésia-Borax-Clara de Ovo

-Água Pura-Leite

-CeNeja-Suco de Laranja-Suco de Limão-Ácido Sulfúrico à 5% = 0,0


6.8 - APLICAÇÕES

Os peagâmetros (medidores de pH) tem sua aplicaçãonos mais variados tipos de processos industriais .

Qualquer tipo de laboratório, o uso de peagâmetro é defundamental importância.

• Indústria de Abastecimento de Água- Sedimentação e eliminação de turvações.- Desmineralização.- Neutralização com cal (perigo de corrosão paratubulações e recipientes de cimento).- Processos de trocas iônicas.- Cloros (perigo de corrosão através da formação deHCI).- Sistemas de clarificação (digestão de lama através debactérias, ativação de lama).- Águas de rios (supervisão da descarga de esgotos comperigo para os peixes).

• Usinas Elétricas e Reatores Nucleares

Preparação da água bruta, descarbonização,eliminação do sal através de intercambiador iônico.- Água de alimentação para caldeiras e condensados(corrosão em tubos e bombas).

• Indústria de Cortumes- Amolecimento dos couros, alcalinidade da calhidratada, descalcificação, branqueamento, curtimento,tingimento.

• Galvanoplastia- Capacitores eletrolíticos, banhos galvânicos, águasresiduaís.

• Usinas de Açucar- Clarificação e purificação do caldo (pré-separação esaturação), inversão da glicose (a ser evítada nostachos de vácuo), fermentação do melaço, água deprensas.

• Fábricas de Cerveja e de Levedura- Água para fabricação de cerveja, cevada macerada,fermentação (crescimento ótimo da levedura).

• Indústria de Filmes

- Fabricação de emulsões, banhos de revelação efixação, água para lavagem

• Indústria Cerâmica

- Lamas (plasticidade da argila)

• Indústria Alimentícia

- Conservação de sucos de fruta.- Gelatinização de doces.- Acidulação do leite, fabricação de queijo e iogurte,maturação da nata

• Indústria Orgânica- Síntese de gorduras (saponificação de ácidos graxos).- Esterização de alcoóis.


- Formação de aldol (fabricação de materiais sintéticos,etc).- Condensados e águas residuais em refinarias depetróleo.

• Biologia, Bacteriologia e Medicina- Fabricação de penicilina, substratos nutritivos, sangue,sucos estomacais.

• Diversos- Fabricação de cola, gelatina, sabão e substânciasnitroexplosivas.

- 6.7 -

capítulo 6 - variáveis de processos - densidade e ph

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