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PHD 5750 – Tratamento
avançado de águas de
abastecimento
Abrandamento de água por precipitação
química

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.

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.

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

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.

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

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;

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

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).

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.

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


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

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.

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.

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.

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.

 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.

 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.

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.

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





























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.

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
.


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

-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

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.

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.

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










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

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.

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

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.

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

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



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.

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

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

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.

 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

Sistema de tratamento de água Water Factory 21

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