PHD 5750 – Tratamentoavançado de águas de abastecimento Abrandamento de água por precipitação química Prof. José Carlos Mierzwa Dureza da água O termo dureza foi originado em razão da dificuldade no processo de lavagem de roupas, com águas contendo elevada concentração de certos íons minerais; Isto era resultado da capacidade deste íons reagirem com sabões, evitando a formação de espuma; Na reação eram formados sabões insolúveis, que precipitavam. Prof. José Carlos Mierzwa Dureza da água Além de reagir com sabões, a dureza da água pode resultar na formação de incrustações em tubulações e dispositivos de troca térmica. Prof. José Carlos Mierzwa Zinco. destacando-se o cálcio e o magnésio. José Carlos Mierzwa . Bário. Outros íons também podem atribuir dureza a água: Ferro. Manganês. Alumínio Prof. Estrôncio.Dureza da água A dureza é resultado da presença de íons bivalentes. Dureza devida a não carbonatos: parcela devida a sais diferentes: Sulfato de cálcio. José Carlos Mierzwa . sulfato de manganês e cloreto de manganês. CaCO3).Medida da dureza Em tratamento de água a dureza é expressa em concentração equivalente ao carbonato de cálcio (mg/L). Ela pode ser designada de várias maneiras: Dureza total: soma da concentração de todos os íons responsáveis pela dureza. Dureza devida a carbonatos: parcela relacionada a presença de sais na forma de carbonatos (HCO3-. cloreto de cálcio. Prof. 300 Muito dura > 300 Prof. a água pode ser classificada em quatro categorias: Classificação Branda Dureza (mg CaCO3/L) < 75 Dureza moderada 76 . José Carlos Mierzwa .150 Dura 151 .Classificação das águas em função da dureza Com relação a concentração de dureza. Prof. José Carlos Mierzwa . Iso pode ser verificado pelo Índice de Saturação de Langelier. No caso de haver tendência para precipitação de carbonato a água e considerada incrustante. o controle da dureza devido a carbonatos é muito importante. Em função do equilíbrio entre carbonatos a água pode ser corrosiva ou incrustante: Se a água tiver tendência para solubilizar carbonato ela é considerada corrosiva.Fatores associados à dureza Para o controle da corrosão e incrustações em redes de água. José Carlos Mierzwa .Prof. Prof. IS < 0 (água com características corrosivas). IS > 0 (água com característica incrustante). ou Índice de Saturação mede a tendência de corrosividade ou incrustação de uma água: IS = pH – pHs IS = 0 (sem tendência para corrosão ou deposição).Índice de Langelier O índice de Langelier. José Carlos Mierzwa . 0 e 8.5.HCO 2 3 • O fator S ajusta a equação para a verdadeira atividade dos íons na expressão de equilíbrio. José Carlos Mierzwa . Prof. • A expressão final é válida para uma faixa de pH variando entre 6.pH de Saturação em função das Constantes de Solubilidade e Equilíbrio de Carbonatos 2 3 pH s pK 2 pK ps log[Ca ] log[ HCO ] S S log Ca . Coeficiente de Atividade log i 0. zi = carga iônica da espécie i TDS = concentração de sólidos dissolvidos totais (mg/L) Ci = concentração da espécie iônica (M).5.zi ) 2 i i = coeficiente de atividade para a espécie iônica i = força iônica da solução.TDS 1 2 . 2 1 1 1 2 2 2. José Carlos Mierzwa .( zi ) . (Ci . Prof.5 x10 5. 325 0.217 0.54 0.17 8.49 8.22 8.224 0.143 0.33 8.58 0.25 8.146 0.39 0.0879 0.41 0.140 0.Valores de pKps.38 8.55 10 TDS (mg/L) pKps 50 150 400 1000 1500 8. 1997 Prof.43 8.0861 0.362 35 10.213 0.308 0.329 0.226 0. pK2 e S S Temperatura (ºC) pK2 5 10.211 0.366 40 10.370 45 10.62 0. Droste.358 30 10.375 50 10.0838 0.0869 0.51 0.144 0.379 Fonte:Ronald L.300 0.0845 0.148 0.210 0.45 0.311 0.314 0.303 0.348 15 10.0898 0.20 8.43 0.0825 0.0854 0.29 8.0832 0.318 0.351 20 10.138 0.229 0.48 0.142 0.322 0.215 0.345 10. José Carlos Mierzwa .221 0.305 0.137 0.139 0.149 0.0888 0.354 25 10.66 0.219 0. Águas com dureza superior ou para o caso de aplicações industriais.Dureza em águas de abastecimento Para água de abastecimento público é recomendado que a dureza da água esteja entre 80 mg/L a 100 mg/L como CaCO3. Prof. José Carlos Mierzwa . a dureza deve ser reduzida. Redução do consumo de sabões e detergentes. José Carlos Mierzwa . Remoção de metais pesados: Elevação do pH. Formação de complexos insolúveis. Clarificação da água quando da precipitação dos íons responsáveis pela dureza.Benefícios para redução da dureza Redução da tendência de incrustação. Remoção de ferro e manganês. Remoção de sílica e fluoretos. Prof. José Carlos Mierzwa . Processo de nanofiltração utilização de membranas poliméricas.Remoção da dureza O processo de remoção da dureza é conhecido como abrandamento. O abrandamento pode ser feito de três formas: Precipitação química processo geralmente utilizado para águas com elevada concentração de dureza. Prof. Troca catiônica mais indicado para o caso onde a concentração da dureza seja baixa. Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Precipitação química: Vantagens: Pode ser aplicado para águas com dureza elevada. Possibilita remover da água outros contaminantes: Alguns radionuclídeos. Clarificação da água. Necessidade de ajustes finais. Tecnologia bem estabelecida. José Carlos Mierzwa . Desvantagens: Utilização de produtos químicos. Prof. Produção de lodo. Remoção de metais pesados e arsênio. Requer o tratamento do efluente da regeneração. exigindo a sua regeneração. Prof. José Carlos Mierzwa . Ocorre saturação da resina. Elevação da concentração de SDT na água.Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Troca catiônica: Vantagens: Grande eficiência para remoção dos íons responsáveis pela dureza. Não há formação de lodo no processo. Desvantagens: Requer um pré-tratamento da água. As resinas podem ser regeneradas. Não requer a utilização de produtos químicos. Água com elevada dureza pode resultar em perda da eficiência do sistema. Ocorre a remoção de outros contaminantes.Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Nanofiltração: Vantagens: Remove com eficiência íons responsáveis pela dureza. orgânicos e inorgânicos. José Carlos Mierzwa . Prof. Desvantagens: Tem uma menor produção de água em relação aos demais processos. Ocorre a geração de uma corrente de concentrado. Requer um nível elevado de pré-tratamento. O carbonato de sódio pode fornecer a alcalinidade para reação e também os íons carbonato necessários. fornecendo a alcalinidade necessária.Abrandamento por precipitação química É utilizado o processo a base de cal (CaO) e carbonato de sódio. José Carlos Mierzwa . A cal é utilizada para elevar o pH da água. Prof. Reações envolvidas CaO H 2O Ca (OH ) 2 Ca (OH ) 2 H 2CO3 CaCO3 2 H 2O Ca ( HCO3 ) Ca (OH ) 2 2CaCO3 2 H 2O Mg ( HCO3 ) Ca (OH ) 2 CaCO3 MgCO3 2 H 2O MgCO3 Ca (OH ) 2 Mg (OH ) 2 CaCO3 MgSO4 Ca (OH ) 2 Mg (OH ) 2 CaSO4 CaSO4 Na2CO3 CaCO3 Na2 SO4 Prof. José Carlos Mierzwa . A sua utilização resulta em um maior acréscimo na concentração de SDT na água final. Prof.Considerações A utilização do CaO é mais indicada pois esta apresenta menor custo. É possível utilizar também o hidróxido de sódio como alcalinizante. mas: É um produto de custo mais alto. José Carlos Mierzwa . José Carlos Mierzwa .Química do processo de abrandamento Com relação á remoção de dureza devido a cálcio consideram-se as seguintes relações: CaCO3 Ca K ps Ca 2 CO 2 3 CO . CO 2 2 3 2 2 3 Ct Prof. 342 K1.K 2 Prof.K 2 2 K ps ([ H ] K1[ H ] K1.33 .K 2 K1. José Carlos Mierzwa K1 = 10-6.Química do processo de abrandamento Admitindo-se que todo o carbono inorgânico esteja na forma de carbonato e bicarbonato: [Ca2+]=Ct Combinando-se as expressões: K ps Ca 2 .K 2 2 Kps = 10-8.[ H ] K1. 2 2 H Ca 2 K1.35 K2 = 10-10. para o sistema CaCO3 Prof. José Carlos Mierzwa .Concentração de cálcio em função do pH. 150 20 8. Osman M. Aly.3 89. Samuel D.8 2.Constantes de solubilidade para compostos relacionados ao processo de remoção da dureza T (ºC) CaCO3(s) Mg(OH)2(s) MgCO3(s) CaSO4(s) [Ca2+] [Mg2+] [Mg2+] [Ca2+] -Log Kps mg/L 0 8.625 -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L 11.67 7.280 25 8.023 3.6 2.395 40 8.515 50 8.90 1.90 10 8.46 4. José Carlos Mierzwa .342 30 8.52 5. Faust.95 Fonte: Chemistry of Water Treatment. 1999. Prof. José Carlos Mierzwa . Também é importante determinar a concentração de ácido carbônico.Consumo de produtos químicos para o abrandamento A determinação do consumo de produtos considera as quantidades estequiométricas baseadas nas equações das reações químicas envolvidas. Com base na análise química da água determina-se os tipos de dureza presentes. Prof. 3 x10 @ 25º C Prof.[ H ] [ H 2CO3 ] K 7 K 4.Consumo de produtos químicos para o abrandamento Concentração de ácido carbônico: 3 H 2CO3 HCO H 3 [ HCO ]. José Carlos Mierzwa . com linhas acima e abaixo desta escala. Nas linhas serão indicadas as concentrações de cátions (acima) e ânions (abaixo). cátions meq/L ânions Prof.Consumo de produtos químicos para o abrandamento A obtenção dos tipos de dureza é feita por meio de uma escala em meq. José Carlos Mierzwa . Ânions: HCO3-. Para efeito de cálculo admite-se que a concentração de íons carbonato seja zero. Prof. SO42-. José Carlos Mierzwa . Na+.(caso necessário). NO3. Mg2+.Consumo de produtos químicos para o abrandamento Os cátions e ânions devem ser apresentados nas seguintes ordens: Cátions: Ca2+. K+ (caso necessário). Cl-. 165 Cl- 25 0.395 Mg2+ 19 1.17 0.8a Ca2+ 96 4.5 0.78 Na+ 18 0.18 2.Exemplo de cálculo Análise de qualidade da água Constituinte mg/L meq/L mM pH 7.084 Prof.04 0.33 2.79 2.18 SO42- 208 4.56 0.2 0.705 0. José Carlos Mierzwa .04 HCO3- 133 2.78 0.78 K+ 1.705 H2CO3 a .unidades 5. 705 Dureza de cálcio por carbonato = 2.= 4. Dureza de magnésio não carbonato = 1.18 3 4 SO42.78 meq/L 1 2 HCO3.56 meq/L. Prof.79 Mg2+ = 1.61 meq/L. Dureza de cálcio não carbonato = 2.56 Na+ = 0.33 5 6 10 Cl. José Carlos Mierzwa .Diagrama de identificação Ca2+ = 4.= 0.18 meq/L.= 2. 0 0 0 0 0 Mg-nCarb.61 1.56 0.61 0 0 2.085 o cálcio do hidróxido Prof.17 0.52 3. 2.56 1.84 0 0 Ca-Carb.56 0.78 1.09 0 0 Ca-nCarb.Dosagens de Produtos Químicos Tipo de Dureza meq meq/l mM meq/L mM H2CO3 0.305 Mg-Carb.945 4. 1.91 deve-se1.78 Ca(OH)2 Na2CO3 Para o caso da dureza de Mg não carbonato considerar a necessidade de reação com Total 6.18 1.17 2. 2.19 0. José Carlos Mierzwa .18 2. O valor de Ct original é obtido com base na concentração de bicarbonato e a respectiva constante de dissociação: 1 HCO 3 Ct K1 [ H ] 1 2 [ H ] K 1[ H ] K 1 K 2 K1 10 6.35 K 2 10 10.Equações complementares [Ca2+]original + [Ca2+]adicionado = Ctoriginal + [CO32-]adicionado Relação de neutralidade de cargas: carga de cátions = carga dos ânions. José Carlos Mierzwa .33 Prof. Estes processos podem ser realizados em uma ou duas etapas. Prof. José Carlos Mierzwa . Processo com excesso de cal ou carbonato: Quando é feita a remoção de dureza devida a cálcio e magnésio. Em todos os casos deve ser feito o ajuste da estabilidade da água.Processos de Abrandamento O abrandamento por precipitação química pode ser feito por: Processo sem excesso de cal ou carbonato: Específico para remoção de dureza devida ao cálcio. José Carlos Mierzwa .Processo de abrandamento em um único estágio sem ou com excesso de cal ou carbonato Cal Na2CO3 CO2 Coagulante Auxiliar de filtração Pré-tratamento Lodo Abrandamento Recarbonatação Água Abrandada Filtração Prof. José Carlos Mierzwa .Processo de abrandamento em dois estágios com excesso de cal ou carbonato Cal Coagulante Coagulante Na2CO3 CO2 Auxiliar de filtração Pré-tratamento Lodo 1° Estágio 2° Estágio Água Abrandada Filtração Prof. Gradientes de floculação variados.Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamento Os processos de coagulação e sedimentação utilização equipamentos similares aos utilizados no processo de clarificação. Mistura rápida: Geralmente feita em dispositivo hidráulico. José Carlos Mierzwa . podendo-se ter até três estágios. O projeto deve facilitar a limpeza periódica. Tempo de detenção de 30 a 45 minutos. Floculação: Utilização de misturadores horizontais ou verticais (tipo turbina). Prof. No processo de abrandamento. José Carlos Mierzwa .Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamento Sedimentação: Taxa de aplicação: 1 a 2. Filtração: Utiliza-se as taxas empregadas na filtração em sistemas convencionas. a recirculação de uma parcela do lodo para o início do processo acelera as reações de precipitação.4 m/h. Tempo de detenção hidráulico: 2 a 4 horas. Prof. Sistema de tratamento de água Water Factory 21 Prof. José Carlos Mierzwa .