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Precipitação, Coagulação e Floculação
13 de Março de 2007
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Natureza das Impurezas na Água• As dimensões das impurezas nas águas podem
variar 6 ordens de grandeza entre– iões e moléculas em solução (~1Å = 10-10 m)– partículas em suspensão (até dimensões da ordem de
0,1mm = 10-4 m).• Estas partículas em suspensão podem ter
características químicas diversas e interessa que sejam eliminadas até um nível compatível com a utilização que se pretende dar à água.
• Começa-se por rever alguns aspectos gerais sobre reacções químicas com formação de precipitados.
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Formação de PrecipitadosIões núcleos micelas (1000 Å) (1Å) (10 Å) (ou partículas coloidais)
Cristalículos Dispersões(microcristais) coloidais Peptização coagulação
Agregados Precipitados gelatinosos cristalinos ou floculentos
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Mecanismo de Formação de Dispersões Coloidais
• Partículas sólidas com pequenas dimensões (ex. micelas) podem ter iões fixados à superfície.
• Essa iões podem estar fixados por processos de adsorção ou por ionização (ácida) de grupos que se encontram na superfície de sólidos.
• Nas águas naturais ocorrem muitas vezes partículas de silicatos que, aos pH correntes em águas, estão ionizados ficando as partículas em suspensão com cargas negativas à superfície.
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Formação de Dupla Camada Eléctrica
• Esquema para ilustrar a formação da dupla camada eléctrica numa partícula de silicato em suspensão
Camada primária com carga negativa
Camada de contra-iões onde predominam iões positivos em solução e que permite assegurar a electroneutralidade
deste sistema
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Estabilização de Suspensões Coloidais (Dupla Camada Eléctrica) • Como se viu no esquema, à volta de cada partícula
existe uma dupla camada eléctrica:– camada primária de iões fixos à superfície das
partículas em suspensão.– camada de contra-iões em solução e que vão
contrabalançar a carga eléctrica da camada primária.• Atendendo à semelhança de cargas eléctricas que
as rodeiam, estas partículas em suspensão vão exercer entre si forças repulsivas que dificultam a sua aproximação e coalescência podendo permanecer assim muito tempo sem precipitar.
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Diagramas de Potenciais: Atractivos e Repulsivos
• Nesta figura estão representados os potenciais atractivo (VA) e repulsivo (VR) bem como o resultante (VT) para duas concentrações de sais (CS’>CS).
• Se duas partículas chocarem e conseguirem transpor a barreira de potencial poderão coalescer.
No caso da concentração salina mais baixa pode
haver dois mínimos
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Estabilidade e Classificação de Colóides
• A maior parte dos sistemas coloidais são metaestáveis ou instáveis relativamente à situação de separação de fases.
• Colóide estável significa que as partículas não vão formar agregados a uma velocidade apreciável.
• A formação destes agregados de micelas bem como a velocidade a que se podem formar são aspectos importantes no tratamento de águas.
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Coagulação e Floculação: Terminologia (1 de 2)
• As palavras Coagulação e Floculação têm sido muitas vezes usadas em Química como equivalentes para referir a formação de agregados de partículas coloidais.
• Convém ver o contexto em que estas palavras são usadas pois há autores que usam estas designações com significado específico diferente como, por exemplo, a coagulação de sangue.
• Para conseguir a agregação de micelas, há que proceder de modo a diminuir ou mesmo suprimir as forças repulsivas.
• Em tratamentos de águas, o termo Coagulação aplica-se usualmente à desestabilização das partículas coloidais para formação do pequenos agregados designados por coágulos.
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Coagulação e Floculação: Terminologia (2 de 2)
• Os coágulos ainda apresentam dificuldades de separação sendo necessário um passo complementar:
• A Floculação refere-se ao passo em que as partículas se vão juntar para formar agregados de maiores dimensões que se designam por flocos e que são mais fáceis de separar da fase líquida.
• Havendo diversos factores em jogo, é conveniente dispor de ensaios destinados a avaliar os comportamentos das partículas sólidas em suspensão: No “Jar test” há um copo em que se tem um agitador accionado por motor eléctrico (20 a 200rpm) e onde a amostra de água pode ser ensaiada avaliando os efeitos que pode ter a adição de determinado agente químico e em diferentes condições.
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Uso de Agentes Químicos para Desestabilização de Colóides
• Pode adicionar-se agentes químicos para contrariar a acção as forças repulsivas que resultam das duplas camadas eléctricas que se formam nas partículas em suspensão na águas.
• Deve ter-se em atenção o objectivo em vista que é o tratamento das águas pelo que estes agentes não devem ser contaminantes tóxicos naquilo que se pretende que venha a ser uma água potável.
• Há diferentes mecanismos em jogo que podem ser usados para atingir este fim e isso deve ser realizado de modo simples e rápido.
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Mecanismos de Desestabilização de Colóides
• Como se discutirá a seguir, os mecanismos em jogo podem ser:
1. “Compressão” da dupla camada eléctrica diminuindo ea espessura da camada de contra-iões.
2. Adsorção de iões para neutralização de carga eléctrica da camada primária.
3. Arrastamento num precipitado volumoso de hidróxido de alumínio ou hidróxido de ferro(III).
4. Uso de polímeros: Adsorção e formação de pontes entre partículas
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Desestabilização de Colóides
13 de Março de 2007
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1) “Compressão” da Dupla Camada
• Em ensaios (do tipo “jar test”) são obtidas curvas como as apresentadas na figura e que permitem avaliar o comportamento do sistema: redução da turbidez com o aumento de concentração de electrólito.
• Nesta figura vê-se que iões de maior carga são mais efectivos (regra de Shultze-Hardy).
• A adição dum electrólito reduz a espessura da camada de contra-iões diminuindo os potenciais repulsivos. Isso permite explicar a desestabilização dos colóides por este mecanismo.
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2) Adsorção e Neutralização de Carga
• Uma amina orgânica ao pH da água está na forma de ião alquilamónio e vai ser adsorvida à superfície da partícula sólida neutralizando a carga da camada primária.
• Excesso de amina adsorvida vai promover a re-estabilização o colóide pois vai formar-se uma camada primária agora com carga positiva.
Embora existam forças de atracção entre os iões positivos e as cargas negatívas da camada primária, nesta fixação de aminas à superfície da partícula sólida, predominam forças de Van der Waals.
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3) Arrastamento num Precipitado
• Juntando à água sais de Al(III) ou Fe(III), a valores de pH próximos de 7 formam-se precipitados de hidróxidos dos iões metálicos.
• Estes precipitados bastante volumosos permitem o aprisionamento e susequente arrastamento de partículas em suspensão na água.
Neste diagrama, deve prestar-se atenção à descida de turvação que ocorre a concentrações altas de Al(III). O efeito observado a concentrações mais baixas será discutido no diapositivo 11.
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Diagramas de Especiação do Al(III)
• Figura com fracções de alumínio(III) em diferentes formas. Simbologia é ilustrada com os exemplos das espécies predominantes na solução mais concentrada (0,1m): Al3+ (1,0), Al13(OH)32
7+ (13,32) e Al(OH)4- (1,4).
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Diagramas de Especiação do Al(III) e Curva de Solubilidade
• A cada espécie corresponde uma linha recta devido a que as escalas dos eixos são logarítmicas. A curva que aparece a traço mais grosso corresponde à soma das concentrações: solubilidade do alumínio em equilíbrio com o hidróxido de alumínio sólido.
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Dosagens: Zonas de Sobressaturação
• Para assegurar uma precipitação rápida é necessário usar concentrações bastante superiores aos limites de solubilidade e as dosagens de coagulante são apontadas para as zonas de sobressaturação assinaladas na figura.
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Uso de Polímeros com Formação de Pontes entre Partículas em Suspensão
• A adição de polímeros à água permite a formação de pontes entre partículas e que resultam da adsorção entre as partículas em suspensão e as moléculas de polímero.
• Este polímeros podem ser neutros mas até podem ter carga do mesmo sinal das partículas a precipitar.
Verifica-se que um excesso de polímero também vai fazer com que as partículas voltem a ficar em suspensão. Na figura seguinte, estão indicados mecanismos que permitem explicar estes efeitos.
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Uso de Polímeros• Este mecanismo é
especialmente útil para a fase de floculação e as reacções 1 e 2 dão uma descrição do mecanismo de actuação destes polímeros.
• As outras reacções permitem explicar as possibilidades de re-suspensão das partículas de sólido devido a excesso de polímero.
![Page 22: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/22.jpg)
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Coagulação: Condições e Dosagens
• A discussão das dosagens óptimas de coagulantes bem como a utilidade de coadjuvantes de precipitação pode ser facilitada mediante um diagrama de coagulação como o que se apresenta na figura seguinte.
• No gráfico, estão assinaladas as zonas de coagulação em função de concentração de colóide existente inicialmente na água e concentração de agente coagulante adicionado.
![Page 23: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/23.jpg)
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Dosagem de Coagulante e Concentração de Colóides
• Um efeito que tinha sido referido no diapositivo 4 pode observar-se na figura (linha S2 assinalada com seta).
• Para concentrações baixas de coagulante, há uma coagulação na zona 2 . O aumento de concentração provoca re-suspensão na zona 3. Na zona 4, há arrastamento pelo precipitado (“sweep floc”).
![Page 24: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/24.jpg)
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Considerações sobre Técnicas e Materiais Utilizados
• Pode observar-se na figura que é mais fácil a coagulação para concentrações maiores de colóides o que pode justificar a adição de auxiliares de coagulação como a bentonite ou sílicas activadas nos casos das concentrações baixas de colóide.
• Tanto para estes materiais como para os polielectrólitos ou outros agentes químicos utilizados no tratamento de águas tem que haver respeito por normas de segurança para não haver o perigo de introduzir contaminantes tóxicos nas águas para consumo humano.
![Page 25: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/25.jpg)
25de30
Transporte de Partículas (Floculação)
13 e 20 de Março de 2007
![Page 26: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/26.jpg)
26de30
Transporte de Partículas (Floculação)
• Agitação térmica das partículas (movimentos brownianos).
• Movimentos no seio do fluído (agitação mecânica).
• Diferenças de velocidade de descida por acção da gravidade (as partículas mais rápidas podem chocar com as mais lentas).
![Page 27: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/27.jpg)
27de30
Movimentos Brownianos (Floculação pericinética)
• Agitação térmica das partículas
cef = “collision efficiency factor” = viscosidade
2/1/1º
)(3
4 2
ttNN
NkTcefdtdN
![Page 28: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/28.jpg)
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Agitação do Fluído (Floculação Ortocinética ) (1/2)
• Deve ter-se em conta que a velocidade do fluído varia de ponto para ponto e também é variável ao longo do tempo.
• A ocorrência de colisões está favorecida porque nem todas as partículas se movem à mesma velocidade.
• Um gradiante médio de velocidade ( ) pode dar conta da existência destas diferenças de velocidades do fluído.
G
![Page 29: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/29.jpg)
29de30
Agitação do fluído (Floculação ortocinética) (2/2)
Vp
G
tGcefNN
NdGcefdtdN
eNdo
6
4ln
3)(2
0
3
0
23
V = volume do tanque
= volume ocupado pelas partículas coloidais
![Page 30: 1de30 Precipitação, Coagulação e Floculação 13 de Março de 2007](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062502/5706384c1a28abb8238f6237/html5/thumbnails/30.jpg)
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Projecto de Unidades de Floculação• Facilitar contactos entre partículas:
, configuração do tanque e tempo de retenção.• Aglomeração suficiente para ser possível a
remoção por sedimentação e/ou filtração.• Considerando valores fixos de , cef e , fica
cinética de 1ª ordem com tempo de retenção total:
CMF = ”Completely Mixed Flow reactor” ou CSTR “Continuous Stirred Tank Reactor”
G
G
1
4
/1
0
0 m
mCMF N
NGcefmtm