turbidimetria
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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
TÉCNICO INTEGRADO EM QUÍMICA
ANÁLISE INORGÂNICA
TURBIDIMETRIA
MARIANA SUNDERHUR
RAQUEL AGUIAR
RAYANE SCARPATI
RONIELLY BOZZI
PROFESSOR CÉZAR MANZINI
ARACRUZ – ES
2011
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................... 3
1.1. TURBIDEZ DAS ÁGUAS..........................................................................................................31.2. FENÔMENOS DE COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO........................................................................41.3. FATORES QUE INFLUENCIAM A COAGULAÇÃO........................................................................5
2. MATERIAIS E REAGENTES...................................................................................................9
2.1. MATERIAIS UTILIZADOS.........................................................................................................92.2. REAGENTES UTILIZADOS......................................................................................................9
3. PROCEDIMENTOS................................................................................................................10
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.............................................................................................11
5. CONCLUSÃO........................................................................................................................ 14
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................................15
3
1. INTRODUÇÃO
1.1. Turbidez das águas
Turbidez de uma amostra de água é o grau de atenuação de intensidade
que um feixe de luz sofre ao atravessá-la (e esta redução se dá por absorção e
espalhamento, uma vez que as partículas que provocam turbidez nas águas
são maiores que o comprimento de onda da luz branca), devido à presença de
sólidos em suspensão.1
As principais causas da turbidez da água são: presença de matérias
sólidas em suspensão (silte, argila, sílica, coloides), matéria orgânica e
inorgânica finamente divididas, organismos microscópicos e algas. A origem
desses materiais pode ser o solo (quando não há mata ciliar); a mineração
(como a retirada de areia ou a exploração de argila); as indústrias; ou o esgoto
doméstico, lançado no manancial sem tratamento. O exame microscópico e
observações in loco do manancial podem ajudar a determinar as causas da
turbidez. Esses materiais se apresentam em tamanhos diferentes, variando
desde partículas maiores (> 1 um), até as que permanecem em suspensão por
muito tempo, como é o caso das partículas coloidais (diam.=10^-4 a 10^-6
cm).1
Há que se distinguir entre a matéria suspensa ou sedimento, que
precipita rapidamente, daquela que se precipita vagarosamente e que provoca
a turbidez. A turbidez é encontrada em quase todas as águas de superfície, em
valores elevados (até 2.000 mg/l de SiO2), mas está normalmente ausente nas
águas subterrâneas.1
As águas de lagos, lagoas, açudes e represas apresentam, em geral,
baixa turbidez, porém variável em função dos ventos e das ondas que, nas
rasas, podem revolver os sedimentos do fundo. Via de regra, após uma chuva
forte, as águas dos mananciais de superfície ficam turvas, graças ao
carreamento dos sedimentos das margens pela enxurrada. Assim, os solos
argilosos e as águas em movimentação, ocasionam turbidez.2
4
A Tabela abaixo apresenta a turbidez recomendada em alguns usos da
água.2
Tabela 1 - Limites de Turbidez Recomendados
USOS DA ÁGUA UNT
Água potável < 0,5 a 5,0
Água subterrânea típica < 1,0
Piscicultura 10 a 40
1.2. Fenômenos de Coagulação/Floculação
As águas residuais e potáveis, em quantidades diferentes, contêm
material suspenso, sólidos que podem sedimentar e/ou sólidos dispersos que
não sedimentam. Uma parte considerável desses sólidos que não sedimentam
podem ser colóides. Nos colóides, cada partícula encontra-se estabilizada por
uma série de cargas (elétricas) superficiais do mesmo sinal as quais geram
entre si repulsão eletrostática. Uma vez que este fenômeno impede o choque
entre as partículas, não existe tendência natural para que as partículas formem
agregados de maiores dimensões, designados por flocos. As operações de
coagulação e floculação desestabilizam os colóides conseguindo a sua
sedimentabilidade. Isto se consegue em geral pela adição de agentes químicos
aplicando energia de mistura (agitação). Vulgarmente os termos coagulação e
floculação utilizam-se indistintamente em relação à formação de agregados de
partículas. No entanto, convém salientar as diferenças conceptuais entre estas
duas operações. Geralmente, a confusão provém do fato de ambas as ações
(coagulação e floculação) decorrerem simultaneamente. Em rigor, a
coagulação corresponde ao fenómeno de desestabilização da suspensão
coloidal, enquanto que a floculação limita-se às ações de transporte das
partículas coaguladas para provocar colisões entre elas promovendo a sua
aglomeração. 3
5
Coagulação: desestabilização de um colóide produzida pela eliminação
da dupla camada elétrica que envolve as partículas coloidais com a formação
de núcleos microscópicos. 3
Floculação: aglomeração das partículas desestabilizadas primeiro em
micro flocos e posteriormente em aglomerados mais volumosos chamados
flocos. Durante o processo de floculação, os agregados de partículas,
inicialmente pequenos, tendem a juntarem-se em aglomerados de maiores
dimensões (capazes de sedimentar graviticamente), quando se promove o
contacto entre eles através de agitação da suspensão. O tratamento prévio aos
colóides, tendo em vista a sua separação por precipitação, implica, portanto
duas etapas seqüenciais: 3
1. Desestabilização (as teorias sobre o mecanismo deste fenómeno
baseiam-se na química coloidal e de superfícies).3
2. Transporte de núcleos microscópicos para formar agregados densos
(a teoria do transporte baseia-se na mecânica de fluidos).3
O potencial zeta é uma medida desta força de repulsão. Para colóides
em águas naturais com pH entre 5 e 8, o potencial zeta oscila geralmente entre
–15 e –30 mV. Quanto maior for o seu valor absoluto, maior será a carga
superficial da partícula. À medida que diminui o potencial zeta as partículas
podem aproximar-se mais aumentando a probabilidade de uma colisão. Os
coagulantes fornecem cargas de sinal contrário para atenuar ou eliminar esse
potencial. Note se, no entanto que a coagulação pode decorrer a um potencial
baixo sem necessidade de completa neutralização. Se for adicionado
demasiado coagulante as partículas ficam carregadas com sinal contrário (ao
inicial) e podem voltar a dispersar-se no líquido formando de novo uma
suspensão estável.3
1.3. Fatores que Influenciam a Coagulação
a) Efeito do pH
A gama de pH na qual ocorre o processo de coagulação pode ser o fator
(simples) mais importante na eficiência do processo. A grande maioria dos
6
problemas de baixa eficiência na coagulação está relacionada com níveis de
pH impróprios. Sempre que possível a coagulação deve decorrer na zona ótima
de pH do agente coagulante. Quando isto não acontece, produzem-se
eficiências de coagulação inferiores, geralmente resultando num desperdício de
reagentes e inferiores qualidades na água final. Cada sal coagulante inorgânico
possui a sua gama característica de pH ótimo, e em muitas estações de
tratamento é necessário efetuar previamente o ajuste do pH antes de adicionar
o agente coagulação. Nestes casos, isto envolve a adição de cal ou soda
cáustica para manter certo valor mínimo de pH. Noutras situações pode ser
necessário adicionar ácidos para baixar o pH até aos valores adequados. 3
b) Efeito salino
Uma vez que nenhuma água natural é completamente pura, cada uma
terá diferentes teores em cátions (cálcio, magnésio, ferro, manganês, etc.) e
anions (sulfato, cloreto, fosfato, nitrato, etc.). Alguns desses íons podem afetar
significativamente a eficiência do processo de coagulação. O efeito salino
pode provocar disfunções no processo de coagulação, sobretudo se ocorrerem
alterações abruptas na concentração destes íons.3
c) Natureza da turvação
A turvação em águas residuais e naturais é caracterizada por uma ampla
distribuição de tamanhos de partículas. As dimensões das particulas podem
variar constantemente dependendo de fatores diversos como precipitação dos
sólidos ou colisões de partículas. Geralmente, níveis de turvação mais
elevados requerem maiores dosagens de coagulante. No entanto, a relação
entre o grau de turvação e a dosagem ótima de coagulante, poucas vezes é
linearmente proporcional. 3
d) Temperatura da água
Águas mais frias introduzem dois fatores adicionais à dificuldade do
processo de coagulação. À medida que a temperatura da água se aproxima do
seu ponto de congelamento (0ºC para 1 atm), quase todas as reações
decorrem mais lentamente. Pode ser mais difícil distribuir uniformemente o
coagulante na água. Como resultado, o processo de coagulação torna-se
7
menos eficiente, e maiores dosagens de coagulante são geralmente usadas
para compensar este efeito. 3
e) Efeitos de mistura
Resultados fracos são obtidos numa inadequada (não homogênea)
dispersão do coagulante. Infelizmente, em várias estações mais antigas foram
instalados sistemas de mistura pouco eficientes. Como resultado, torna-se
necessário utilizar dosagens de coagulante superiores para se alcançar o nível
de turvação pretendido para a água. 3
Figura 1 - Padrão de escoamento numa unidade de mistura
Figura 2 - Sistema de mistura utilizando um ressalto hidráulico num canal de
escoamento gravítico
f) Efeito do coagulante
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A seleção do coagulante adequado para umas dadas condições é de
importância crítica na manutenção de um esquema de coagulação eficiente ao
longo da gama normal de variação das características da suspensão. Os
reagentes químicos mais usados no processo de coagulação são como
referidos anteriormente, sulfato de alumínio (alumen), cloreto férrico e sulfato
férrico, mas também diversos tipos de polímeros, sobretudo os catiônicos.3
9
2. MATERIAIS E REAGENTES
2.1. Materiais utilizados
2.2. Reagentes utilizados
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3. PROCEDIMENTOS
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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Utilizou-se sulfato de alumínio como coagulante. Para tal foram
preparados 100 mL de solução com concentração de 4 g/L, com base nos
seguintes cálculos:
C=mv
ondeC é a concentração comum,mamassa dosolutoe V ovolume dasolu çã o
4= m0,1→m=4∗0,1→m=0,4 gde A l2¿
Em paralelo, mediu-se o pH de três amostras, de 200 mL cada, de uma
suspensão constituída por água e partículas de impurezas. As medidas obtidas
pelo pHgâmetro foram relacionados na tabela 1.
Tabela1 – Valores de pH das suspensões contidas nos béqueres 1, 2 e 3
Suspensã
opH
Béquer 1 4,33
Béquer 2 6,80
Béquer 3 9,38
Os valores de pH variaram de uma amostra para a outra mesmo sendo
constituídas do mesmo material, pois as partículas em suspensão são
constituídas de cargas que podem alterar o pH. O desvio padrão sofrido pelas
amostras pode ser obtido por:
S=√¿¿¿
Com base na média os béqueres 1 e 2 sofreram um desvio de:
S=√¿¿¿
Já o béquer 3 sofreu o seguinte desvio:
12
S=√¿¿¿
O desvio padrão geral dos valores de pH, obtido pela média aritmética
dos desvios de cada béquer , equivale a 3,71*10-3 . Assim o pH da suspensão é
6,8033 3,71*10-3.
A fim de determinar a faixa de pH em que a coagulação é mais efetiva
modificou-se o pH do béquer 1, para um pH ácido. O béquer dois não teve seu
valor de pH alterado, todavia adicionou-se base ao béquer 3, deixando-o em
uma faixa alcalina. Em todos os béqueres em que se adicionou alguma
substância para o ajuste do pH, após a adição, agitou-se por cinco minutos.
Isso foi feito para que toda a substância reagisse homogeneamente pela
suspensão.
Pretendeu-se ajustar o pH do béquer 1 para pH=3. Foi necessário
adicionar ácido sulfúrico 0,1 mol/L-1 no volume de 1 mL, previamente
calculados como a seguir.
Na ionização do ácido sulfúrico há liberação de dois prótons para cada
molécula de ácido ionizada, como na reação:
H 2SO 4→2H+¿+SO4
¿
−2¿ ¿
Logo, para determinar a concentração de H+, considerando todas as
ionizações do ácido como a de um ácido forte, deve-se dobrar a concentração
molar do ácido, como no cálculo a seguir:
M f V f=M 1V 1+2M ác .V ác .
10−3∗(0,2+V á c. )=10−6,8∗0,2+0,2V ác.
1,999683∗10−4=0,199V ác .
V ác .=1,00∗10−3 Lou1mL
Todavia para que o pH se ajustasse próximo de pH = 3, necessitou-se
adicionar 12 mL de ácido, pois a suspensão é constituída de partículas
carregadas eletricamente, e substâncias que conferem-na uma característica
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de tampão. Mesmo adicionando 11 mL a mais que a base teórica, o béquer 1
ficou com pH = 4,33. No béquer 2 não alterou-se o pH, pois estava na faixa
próxima ao neutro. Para o béquer 3 adicionou-se 10 mL de base, conferindo-o
um valor de pH = 9,38.
Para iniciar a floculação adicionou-se, a cada um dos béqueres, 30 mL
de sulfato de alumínio 0,4 g/L e agitou-se por dez minutos. Com a agitação há
um maior choque entre as partículas da suspensão, auxiliando a formação de
agregados sólidos de maiores dimensões. A formação desses agregados é de
extrema importância, pois o processo de sedimentação é acelerado, uma vez
que as partículas ficam com maior densidade. Após a agitação, deixaram-se as
misturas em repouso por 20 minutos.
Após a calibração do turbidímetro, retirou-se uma alíquota de cada
béquer. Mediu-se o índice de turbidez das misturas dos béqueres 1, 2 e 3
obtendo, respectivamente, 56,6 NTU, 88,8 NTU e 12,2 NTU. Esses valores
indicam o quanto de radiação foi refletida pelas partículas em suspensão. Um
alto valor de turbidez indica que há muitas partículas em suspensão no liquido.
A faixa alcalina, béquer 3, obteve a melhor coagulação e floculação, pois a
solução ficou mais límpida, diferentemente dos béqueres 1 e 2.
Os flocos são formados porque o produto adicionado anula as cargas
que repelem as partículas, permitindo a sua união. Em meio alcalino o sulfato
de alumínio reage com cálcio, presente na água, segundo a reação abaixo:
Al2 (SO4)3 18 H2O + 3Ca(HCO3)2 ® 3 CaSO4 + 2 AI(OH)3 + 6 CO2 + 18 H2O
Como o alumínio é altamente denso de cargas positivas, há uma
anulação das cargas presente nas partículas permitindo a aglutinação. Logo na
faixa de pH alcalino essa reação ocorre auxiliando o processo.
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5. CONCLUSÃO
Foi possível medir a turbidez das três alíquotas de água, usando-se o
turbidímetro e com isso, concluiu-se que o pH ótimo de floculação da água é
básico. Seguem os dados na tabela abaixo:
Tabela 2 - Dados das alíquotas
Alíquota pH Turbidez
14,3
356,6
2 6,8 88,8
39,3
812,2
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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 Mundo Químico. TURBIDEZ. Disponível em:
<http://www.mundodoquimico.hpg.ig.com.br/turbidez.htm>. Acesso em: 01 abr.
2011.
2 UFRRJ. TURBIDÍMETRO. Disponível em:
<http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/turb.htm>. Acesso em: 1 abr. 2011.
3 Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. FLOCULAÇÃO.
Disponível em: <http://pwp.net.ipl.pt/deq.isel/teodoro/li6c2006b/pdf/li6c_
floculacao.pdf>. Acesso em: 1 abr. 2011.