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Abrandamento de água.ppt

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O abrandamento é o processo mais utilizado para acabar com a dureza da água. Ele consiste na retirada do cálcio (Ca2+) e do magnésio (Mg2+) da água dura.

Quimicamente, a água pode ser dura ou mole e o que determina essas classificações é a quantidade de sais depositados nela. Podem existir vários tipos de sais na águas, mas os que mais impactam para ela ser dura são o cálcio e o magnésio.

A utilização da água dura pode causar depósitos de calcite em caldeiras e tubulações, por exemplo. Para evitar esse tipo de problemas, dois tipos de abrandamento podem ser utilizados: precipitação química e troca iônica.

Antes disso, é importante conhecer o funcionamento dos abrandadores. O equipamento é um vaso de pressão normalmente produzido em aço carbono ou fibra de vidro, com resinas catiônicas em seu interior, elas são as responsáveis pela remoção da dureza. Os abrandadores possuem vazões diferenciadas e podem ser automáticos ou não, elétricos ou não.

Definido o tipo de equipamento utilizado, é a hora de decidir qual o método de abrandamento para tirar a dureza da água.
Precipitação química
O processo de abrandamento por precipitação química ocorre com a adição de cal (CaO) e carbonato de sódio (Na2CO3), que, ao reagirem com a água dura, precipitam o cálcio e o magnésio. Ele funciona para tratar água com altíssima dureza e ainda tem a capacidade de remoção de outros tipos de contaminantes, incluindo metais pesados.



Troca iônica
Faz com que a água atravesse um leito de resina catiônica que irá trocar os íons de cálcio e magnésio presentes na água por íons de sódio. Essa resina é, geralmente, uma pequena esfera de polímero poroso com uma estrutura molecular carregada negativamente. Ela carrega um íon positivo que pode ser trocado pelo íon de sódio. Quando os íons de cálcio e magnésio passam pelos poros da resina, são atraídos pela estrutura negativa que ela leva. Assim, o sódio é liberado na água e, por ser solúvel, acaba com as incrustações causadas pelos outros dois sais.



Medindo a dureza da água
Alguns mecanismos permitem a medição da dureza da água. Ela vai definir o tipo de abrandamento e dos abrandadores que serão utilizados.

Geralmente, a medição é feita com base na quantidade de partes por milhão (ppm) de carbonato de cálcio. Quanto maior a quantidade de ppm, mais dura a água.

O abrandamento é o processo mais utilizado para acabar com a dureza da água. Ele consiste na retirada do cálcio (Ca2+) e do magnésio (Mg2+) da água dura.

Quimicamente, a água pode ser dura ou mole e o que determina essas classificações é a quantidade de sais depositados nela. Podem existir vários tipos de sais na águas, mas os que mais impactam para ela ser dura são o cálcio e o magnésio.

A utilização da água dura pode causar depósitos de calcite em caldeiras e tubulações, por exemplo. Para evitar esse tipo de problemas, dois tipos de abrandamento podem ser utilizados: precipitação química e troca iônica.

Antes disso, é importante conhecer o funcionamento dos abrandadores. O equipamento é um vaso de pressão normalmente produzido em aço carbono ou fibra de vidro, com resinas catiônicas em seu interior, elas são as responsáveis pela remoção da dureza. Os abrandadores possuem vazões diferenciadas e podem ser automáticos ou não, elétricos ou não.

Definido o tipo de equipamento utilizado, é a hora de decidir qual o método de abrandamento para tirar a dureza da água.
Precipitação química
O processo de abrandamento por precipitação química ocorre com a adição de cal (CaO) e carbonato de sódio (Na2CO3), que, ao reagirem com a água dura, precipitam o cálcio e o magnésio. Ele funciona para tratar água com altíssima dureza e ainda tem a capacidade de remoção de outros tipos de contaminantes, incluindo metais pesados.



Troca iônica
Faz com que a água atravesse um leito de resina catiônica que irá trocar os íons de cálcio e magnésio presentes na água por íons de sódio. Essa resina é, geralmente, uma pequena esfera de polímero poroso com uma estrutura molecular carregada negativamente. Ela carrega um íon positivo que pode ser trocado pelo íon de sódio. Quando os íons de cálcio e magnésio passam pelos poros da resina, são atraídos pela estrutura negativa que ela leva. Assim, o sódio é liberado na água e, por ser solúvel, acaba com as incrustações causadas pelos outros dois sais.



Medindo a dureza da água
Alguns mecanismos permitem a medição da dureza da água. Ela vai definir o tipo de abrandamento e dos abrandadores que serão utilizados.

Geralmente, a medição é feita com base na quantidade de partes por milhão (ppm) de carbonato de cálcio. Quanto maior a quantidade de ppm, mais dura a água.

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  1. 1. PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento Abrandamento de água por precipitação química
  2. 2. 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.
  3. 3. 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.
  4. 4. Dureza da água  A dureza é resultado da presença de íons bivalentes, destacando-se o cálcio e o magnésio;  Outros íons também podem atribuir dureza a água:  Ferro;  Manganês;  Estrôncio;  Bário;  Zinco;  Alumínio
  5. 5. Prof. José Carlos Mierzwa 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 -, CaCO3);  Dureza devida a não carbonatos: parcela devida a sais diferentes:  Sulfato de cálcio, cloreto de cálcio, sulfato de manganês e cloreto de manganês.
  6. 6. Prof. José Carlos Mierzwa Classificação das águas em função da dureza  Com relação a concentração de dureza, a água pode ser classificada em quatro categorias: Classificação Dureza (mg CaCO3/L) Branda < 75 Dureza moderada 76 - 150 Dura 151 - 300 Muito dura > 300
  7. 7. Prof. José Carlos Mierzwa Fatores associados à dureza  Para o controle da corrosão e incrustações em redes de água, 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;  No caso de haver tendência para precipitação de carbonato a água e considerada incrustante.  Iso pode ser verificado pelo Índice de Saturação de Langelier;
  8. 8. Prof. José Carlos Mierzwa Equilíbrio de Carbonatos 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 2 4 6 8 10 12 14 pH Fração Molar Ácido Carbônico Bicarbonato Carbonato
  9. 9. Prof. José Carlos Mierzwa Índice de Langelier  O índice de Langelier, 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);  IS < 0 (água com características corrosivas);  IS > 0 (água com característica incrustante).
  10. 10. Prof. José Carlos Mierzwa pH de Saturação em função das Constantes de Solubilidade e Equilíbrio de Carbonatos            3 2 3 2 2 . log ] log[ ] log[ HCO Ca S S HCO Ca pK pK pH ps s   • O fator S ajusta a equação para a verdadeira atividade dos íons na expressão de equilíbrio. • A expressão final é válida para uma faixa de pH variando entre 6,0 e 8,5.
  11. 11. Prof. José Carlos Mierzwa Coeficiente de Atividade TDS x zi i . 10 5 , 2 1 . ) .( 5 , 0 log 5 2 1 2 1 2         i = coeficiente de atividade para a espécie iônica i  = força iônica da solução; zi = carga iônica da espécie i TDS = concentração de sólidos dissolvidos totais (mg/L) Ci = concentração da espécie iônica (M);   i i i z C ) . ( . 2 1 2 
  12. 12. Prof. José Carlos Mierzwa Valores de pKps, pK2 e S Temperatura (ºC) pK2 pKps S TDS (mg/L) 50 150 400 1000 1500 5 10,55 8,39 0,0825 0,137 0,210 0,300 0,345 10 10,49 8,41 0,0832 0,138 0,211 0,303 0,348 15 10,43 8,43 0,0838 0,139 0,213 0,305 0,351 20 10,38 8,45 0,0845 0,140 0,215 0,308 0,354 25 10,33 8,48 0,0854 0,142 0,217 0,311 0,358 30 10,29 8,51 0,0861 0,143 0,219 0,314 0,362 35 10,25 8,54 0,0869 0,144 0,221 0,318 0,366 40 10,22 8,58 0,0879 0,146 0,224 0,322 0,370 45 10,20 8,62 0,0888 0,148 0,226 0,325 0,375 50 10,17 8,66 0,0898 0,149 0,229 0,329 0,379 Fonte:Ronald L. Droste, 1997
  13. 13. Prof. José Carlos Mierzwa 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;  Águas com dureza superior ou para o caso de aplicações industriais, a dureza deve ser reduzida.
  14. 14. Prof. José Carlos Mierzwa Benefícios para redução da dureza  Redução da tendência de incrustação;  Redução do consumo de sabões e detergentes;  Remoção de metais pesados:  Elevação do pH;  Formação de complexos insolúveis.  Remoção de sílica e fluoretos;  Remoção de ferro e manganês;  Clarificação da água quando da precipitação dos íons responsáveis pela dureza.
  15. 15. Prof. José Carlos Mierzwa 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;  Troca catiônica  mais indicado para o caso onde a concentração da dureza seja baixa;  Processo de nanofiltração  utilização de membranas poliméricas.
  16. 16. Prof. José Carlos Mierzwa 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;  Remoção de metais pesados e arsênio;  Clarificação da água;  Tecnologia bem estabelecida.  Desvantagens:  Utilização de produtos químicos;  Produção de lodo;  Necessidade de ajustes finais.
  17. 17. Prof. José Carlos Mierzwa Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento  Troca catiônica:  Vantagens:  Grande eficiência para remoção dos íons responsáveis pela dureza;  As resinas podem ser regeneradas;  Não há formação de lodo no processo.  Desvantagens:  Requer um pré-tratamento da água;  Ocorre saturação da resina, exigindo a sua regeneração;  Elevação da concentração de SDT na água;  Requer o tratamento do efluente da regeneração.
  18. 18. Prof. José Carlos Mierzwa Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento  Nanofiltração:  Vantagens:  Remove com eficiência íons responsáveis pela dureza;  Não requer a utilização de produtos químicos;  Ocorre a remoção de outros contaminantes, orgânicos e inorgânicos.  Desvantagens:  Tem uma menor produção de água em relação aos demais processos;  Requer um nível elevado de pré-tratamento;  Água com elevada dureza pode resultar em perda da eficiência do sistema;  Ocorre a geração de uma corrente de concentrado.
  19. 19. Prof. José Carlos Mierzwa Abrandamento por precipitação química  É utilizado o processo a base de cal (CaO) e carbonato de sódio;  A cal é utilizada para elevar o pH da água, fornecendo a alcalinidade necessária;  O carbonato de sódio pode fornecer a alcalinidade para reação e também os íons carbonato necessários.
  20. 20. Prof. José Carlos Mierzwa Reações envolvidas 4 2 3 3 2 4 4 2 2 4 3 2 2 3 2 3 3 2 3 2 3 2 3 2 3 3 2 2 2 2 ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 2 ) ( ) ( 2 ) ( ) ( SO Na CaCO CO Na CaSO CaSO OH Mg OH Ca MgSO CaCO OH Mg OH Ca MgCO O H MgCO CaCO OH Ca HCO Mg O H CaCO OH Ca HCO Ca O H CaCO CO H OH Ca OH Ca O H CaO                            
  21. 21. Prof. José Carlos Mierzwa 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;  A sua utilização resulta em um maior acréscimo na concentração de SDT na água final.
  22. 22. Prof. José Carlos Mierzwa Química do processo de abrandamento  Com relação á remoção de dureza devido a cálcio consideram-se as seguintes relações:      t ps C CO CO Ca K CO Ca CaCO          2 3 2 2 3 2 2 3 2 3 . 
  23. 23. Prof. José Carlos Mierzwa 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:       2 1 2 1 1 2 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 . . ] [ ] ([ . ] .[ . . K K K K H K H K Ca K K H K H K K Ca K ps ps                Kps = 10-8,342 K1 = 10-6,35 K2 = 10-10,33
  24. 24. Prof. José Carlos Mierzwa -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 0 2 4 6 8 10 12 14 pH Log [Ca 2+ ] Região de solubilidade CaCO3(s) Concentração de cálcio em função do pH, para o sistema CaCO3
  25. 25. Prof. José Carlos Mierzwa 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 -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L 0 8,023 3,90 10 8,150 20 8,280 2,90 25 8,342 11,6 2,67 7,46 4,52 5,3 89,8 30 8,395 40 8,515 50 8,625 1,95 Fonte: Chemistry of Water Treatment, Samuel D. Faust; Osman M. Aly. 1999.
  26. 26. Prof. José Carlos Mierzwa 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;  Também é importante determinar a concentração de ácido carbônico.
  27. 27. Prof. José Carlos Mierzwa Consumo de produtos químicos para o abrandamento  Concentração de ácido carbônico: C x K K H HCO CO H H HCO CO H º 25 @ 10 3 , 4 ] ].[ [ ] [ 7 3 3 2 3 3 2         
  28. 28. Prof. José Carlos Mierzwa Consumo de produtos químicos para o abrandamento  A obtenção dos tipos de dureza é feita por meio de uma escala em meq, com linhas acima e abaixo desta escala;  Nas linhas serão indicadas as concentrações de cátions (acima) e ânions (abaixo). meq/L cátions ânions
  29. 29. Prof. José Carlos Mierzwa Consumo de produtos químicos para o abrandamento  Os cátions e ânions devem ser apresentados nas seguintes ordens:  Cátions:  Ca2+; Mg2+, Na+; K+ (caso necessário);  Ânions:  HCO3 -; SO4 2-; Cl-; NO3- (caso necessário).  Para efeito de cálculo admite-se que a concentração de íons carbonato seja zero.
  30. 30. Prof. José Carlos Mierzwa Exemplo de cálculo Análise de qualidade da água Constituinte mg/L meq/L mM pH 7,8a Ca2+ 96 4,79 2,395 Mg2+ 19 1,56 0,78 Na+ 18 0,78 0,78 K+ 1,5 0,04 0,04 HCO3 - 133 2,18 2,18 SO4 2- 208 4,33 2,165 Cl- 25 0,705 0,705 H2CO3 5,2 0,17 0,084 a - unidades
  31. 31. Prof. José Carlos Mierzwa Diagrama de identificação 1 2 3 4 5 6 10 meq/L Ca2+ = 4,79 Mg2+ = 1,56 HCO3 - = 2,18 SO4 2- = 4,33 Na+ = 0,78 Cl- = 0,705 Dureza de cálcio por carbonato = 2,18 meq/L; Dureza de cálcio não carbonato = 2,61 meq/L; Dureza de magnésio não carbonato = 1,56 meq/L.
  32. 32. Prof. José Carlos Mierzwa Dosagens de Produtos Químicos Tipo de Dureza meq Ca(OH)2 Na2CO3 meq/l mM meq/L mM H2CO3 0,19 0,17 0,84 0 0 Ca-Carb. 2,18 2,18 1,09 0 0 Ca-nCarb. 2,61 0 0 2,61 1,305 Mg-Carb. 0 0 0 0 0 Mg-nCarb. 1,56 1,56 0,78 1,56 0,78 Total 6,52 3,91 1,945 4,17 2,085 Para o caso da dureza de Mg não carbonato deve-se considerar a necessidade de reação com o cálcio do hidróxido
  33. 33. Prof. José Carlos Mierzwa Equações complementares  [Ca2+]original + [Ca2+]adicionado = Ctoriginal + [CO3 2-]adicionado  Relação de neutralidade de cargas:  carga de cátions = carga dos ânions;  O valor de Ct original é obtido com base na concentração de bicarbonato e a respectiva constante de dissociação:   33 , 10 2 35 , 6 1 2 1 1 2 1 1 3 1 10 10 ] [ ] [ ] [             K K K K H K H H K Ct HCO  
  34. 34. Prof. José Carlos Mierzwa 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;  Processo com excesso de cal ou carbonato:  Quando é feita a remoção de dureza devida a cálcio e magnésio;  Estes processos podem ser realizados em uma ou duas etapas;  Em todos os casos deve ser feito o ajuste da estabilidade da água.
  35. 35. Prof. José Carlos Mierzwa Processo de abrandamento em um único estágio sem ou com excesso de cal ou carbonato Cal Coagulante CO2 Auxiliar de filtração Água Abrandada Pré-tratamento Lodo Abrandamento Recarbonatação Filtração Na2CO3
  36. 36. Prof. José Carlos Mierzwa Processo de abrandamento em dois estágios com excesso de cal ou carbonato Cal Coagulante CO2 Auxiliar de filtração Água Abrandada Pré-tratamento Lodo 1° Estágio 2° Estágio Filtração Na2CO3 Coagulante
  37. 37. Prof. José Carlos Mierzwa 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.  Floculação:  Utilização de misturadores horizontais ou verticais (tipo turbina);  Tempo de detenção de 30 a 45 minutos;  Gradientes de floculação variados, podendo-se ter até três estágios;  O projeto deve facilitar a limpeza periódica.
  38. 38. Prof. José Carlos Mierzwa  Sedimentação:  Taxa de aplicação:  1 a 2,4 m/h.  Tempo de detenção hidráulico:  2 a 4 horas.  Filtração:  Utiliza-se as taxas empregadas na filtração em sistemas convencionas.  No processo de abrandamento, a recirculação de uma parcela do lodo para o início do processo acelera as reações de precipitação. Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamento
  39. 39. Prof. José Carlos Mierzwa Sistema de tratamento de água Water Factory 21

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