Aula 10 – Abrandamento de Água

PHD 5750 Tratamento avanado de guas de abastecimentoAbrandamento de gua por precipitao qumica

Prof. Jos Carlos Mierzwa

Dureza da guaO termo dureza foi originado em razo da dificuldade no processo de lavagem de roupas, com guas contendo elevada concentrao de certos ons minerais;Isto era resultado da capacidade deste ons reagirem com sabes, evitando a formao de espuma;Na reao eram formados sabes insolveis, que precipitavam.


Dureza da guaAlm de reagir com sabes, a dureza da gua pode resultar na formao de incrustaes em tubulaes e dispositivos de troca trmica.


Dureza da guaA dureza resultado da presena de ons bivalentes, destacando-se o clcio e o magnsio;Outros ons tambm podem atribuir dureza a gua:Ferro;Mangans;Estrncio;Brio;Zinco;Alumnio


Medida da durezaEm tratamento de gua a dureza expressa em concentrao equivalente ao carbonato de clcio (mg/L);Ela pode ser designada de vrias maneiras:Dureza total: soma da concentrao de todos os ons responsveis pela dureza;Dureza devida a carbonatos: parcela relacionada a presena de sais na forma de carbonatos (HCO3-, CaCO3);Dureza devida a no carbonatos: parcela devida a sais diferentes:Sulfato de clcio, cloreto de clcio, sulfato de mangans e cloreto de mangans.


Classificao das guas em funo da durezaCom relao a concentrao de dureza, a gua pode ser classificada em quatro categorias:


Fatores associados durezaPara o controle da corroso e incrustaes em redes de gua, o controle da dureza devido a carbonatos muito importante;Em funo do equilbrio entre carbonatos a gua pode ser corrosiva ou incrustante:Se a gua tiver tendncia para solubilizar carbonato ela considerada corrosiva;No caso de haver tendncia para precipitao de carbonato a gua e considerada incrustante.Iso pode ser verificado pelo ndice de Saturao de Langelier;



Grf1

0.99999949880.00000050120

0.99999498820.00000501180

0.99994988380.00005011620

0.99949906380.00050093620

0.99501311880.00498687870.0000000025

0.95227305120.04772670960.0000002392

0.66612827850.33385498910.0000167324

0.16626806050.8333142930.0004176465

0.01946664810.9756435510.0048898009

0.00189643170.95046735770.0476362106

0.00013289460.66605089820.3338162071

0.00000331890.16633697880.8336597024

0.0000000390.01956230310.9804376579

0.00000000040.00199128920.9980087104

00.00019948640.9998005136

cido Carbnico

Bicarbonato

Carbonato

pH

Frao Molar

Equilbrio de Carbonatos

Plan1


pHcido CarbnicoBicarbonatoCarbonato

01.00E+001.00E+005.01E-072.51E-17

11.00E-011.00E+005.01E-062.51E-15

21.00E-021.00E+005.01E-052.51E-13

31.00E-039.99E-015.01E-042.51E-11

41.00E-049.95E-014.99E-032.50E-09

51.00E-059.52E-014.77E-022.39E-07

61.00E-066.66E-013.34E-011.67E-05

71.00E-071.66E-018.33E-014.18E-04

81.00E-081.95E-029.76E-014.89E-03

91.00E-091.90E-039.50E-014.76E-02

101.00E-101.33E-046.66E-013.34E-01

111.00E-113.32E-061.66E-018.34E-01

121.00E-123.90E-081.96E-029.80E-01

131.00E-133.97E-101.99E-039.98E-01

141.00E-143.98E-121.99E-041.00E+00

K15.012E-07

K25.012E-11

Plan1

cido Carbnico

Bicarbonato

Carbonato

pH

Frao Molar


Plan2

Plan3

ndice de LangelierO ndice de Langelier, ou ndice de Saturao mede a tendncia de corrosividade ou incrustao de uma gua:IS = pH pHsIS = 0 (sem tendncia para corroso ou deposio);IS < 0 (gua com caractersticas corrosivas);IS > 0 (gua com caracterstica incrustante).


pH de Saturao em funo das Constantes de Solubilidade e Equilbrio de Carbonatos O fator S ajusta a equao para a verdadeira atividade dos ons na expresso de equilbrio. A expresso final vlida para uma faixa de pH variando entre 6,0 e 8,5.


Coeficiente de Atividadegi = coeficiente de atividade para a espcie inica im = fora inica da soluo;zi = carga inica da espcie iTDS = concentrao de slidos dissolvidos totais (mg/L)Ci = concentrao da espcie inica (M);


Valores de pKps, pK2 e SFonte:Ronald L. Droste, 1997

Temperatura (C)pK2pKpsSTDS (mg/L)5015040010001500510,558,390,08250,1370,2100,3000,3451010,498,410,08320,1380,2110,3030,3481510,438,430,08380,1390,2130,3050,3512010,388,450,08450,1400,2150,3080,3542510,338,480,08540,1420,2170,3110,3583010,298,510,08610,1430,2190,3140,3623510,258,540,08690,1440,2210,3180,3664010,228,580,08790,1460,2240,3220,3704510,208,620,08880,1480,2260,3250,3755010,178,660,08980,1490,2290,3290,379


Dureza em guas de abastecimentoPara gua de abastecimento pblico recomendado que a dureza da gua esteja entre 80 mg/L a 100 mg/L como CaCO3;guas com dureza superior ou para o caso de aplicaes industriais, a dureza deve ser reduzida.


Benefcios para reduo da durezaReduo da tendncia de incrustao;Reduo do consumo de sabes e detergentes;Remoo de metais pesados:Elevao do pH;Formao de complexos insolveis.Remoo de slica e fluoretos;Remoo de ferro e mangans;Clarificao da gua quando da precipitao dos ons responsveis pela dureza.


Remoo da durezaO processo de remoo da dureza conhecido como abrandamento;O abrandamento pode ser feito de trs formas:Precipitao qumica processo geralmente utilizado para guas com elevada concentrao de dureza;Troca catinica mais indicado para o caso onde a concentrao da dureza seja baixa;Processo de nanofiltrao utilizao de membranas polimricas.


Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamentoPrecipitao qumica:Vantagens:Pode ser aplicado para guas com dureza elevada;Possibilita remover da gua outros contaminantes:Alguns radionucldeos;Remoo de metais pesados e arsnio;Clarificao da gua;Tecnologia bem estabelecida.Desvantagens:Utilizao de produtos qumicos;Produo de lodo;Necessidade de ajustes finais.


Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamentoTroca catinica:Vantagens:Grande eficincia para remoo dos ons responsveis pela dureza;As resinas podem ser regeneradas;No h formao de lodo no processo.Desvantagens:Requer um pr-tratamento da gua;Ocorre saturao da resina, exigindo a sua regenerao;Elevao da concentrao de SDT na gua;Requer o tratamento do efluente da regenerao.


Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamentoNanofiltrao:Vantagens:Remove com eficincia ons responsveis pela dureza;No requer a utilizao de produtos qumicos;Ocorre a remoo de outros contaminantes, orgnicos e inorgnicos.Desvantagens:Tem uma menor produo de gua em relao aos demais processos;Requer um nvel elevado de pr-tratamento;gua com elevada dureza pode resultar em perda da eficincia do sistema;Ocorre a gerao de uma corrente de concentrado.


Abrandamento por precipitao qumica utilizado o processo a base de cal (CaO) e carbonato de sdio;A cal utilizada para elevar o pH da gua, fornecendo a alcalinidade necessria;O carbonato de sdio pode fornecer a alcalinidade para reao e tambm os ons carbonato necessrios.


Reaes envolvidas


ConsideraesA utilizao do CaO mais indicada pois esta apresenta menor custo; possvel utilizar tambm o hidrxido de sdio como alcalinizante, mas: um produto de custo mais alto;A sua utilizao resulta em um maior acrscimo na concentrao de SDT na gua final.


Qumica do processo de abrandamentoCom relao remoo de dureza devido a clcio consideram-se as seguintes relaes:


Qumica do processo de abrandamentoAdmitindo-se que todo o carbono inorgnico esteja na forma de carbonato e bicarbonato:[Ca2+]=CtCombinando-se as expresses:Kps = 10-8,342K1 = 10-6,35K2 = 10-10,33


Concentrao de clcio em funo do pH, para o sistema CaCO3


Grf1

4.169000097

3.16900097

2.1690096994

1.1690969745

0.1699678016

-0.821510736

-1.7508100861

-2.4620490076

-3.0002011276

-3.4956097232

-3.9226430351

-4.1289262554

-4.1664063957

-4.1705362429

-4.1709535797

Regio de solubilidade

CaCO3(s)

Log [Ca2+]

pH

Log [Ca2+]

Plan1

Solubilidade do Clcio em gua

Ks4.5499E-09

K14.4668E-07

k24.6774E-11

pH

01.00E+001.48E+04590282745.154.17

11.00E-011.48E+0359028393.173.17

21.00E-021.48E+025902957.972.17

31.00E-031.48E+01590414.431.17

41.00E-041.48E+0059159.950.17

51.00E-051.51E-016033.22-0.82

61.00E-061.77E-02709.99-1.75

71.00E-073.45E-03138.04-2.46

81.00E-081.00E-0339.98-3.00

91.00E-093.19E-0412.78-3.50

101.00E-101.19E-044.78-3.92

111.00E-117.43E-052.97-4.13

121.00E-126.82E-052.73-4.17

131.00E-136.75E-052.70-4.17

141.00E-146.75E-052.70-4.17

Solubilidade do Magnsio em gua

Hidrxido de Magnsio

Ks2.512E-12

pHLog [Mg2+]

01.00E+002.512E+166.10E+2016.4

11.00E-012.512E+146.10E+1814.4

21.00E-022.512E+126.10E+1612.4

31.00E-032.512E+106.10E+1410.4

41.00E-042.512E+086.10E+128.4

51.00E-052.512E+066.10E+106.4

61.00E-062.512E+046.10E+084.4

71.00E-072.512E+026.10E+062.4

81.00E-082.512E+006.10E+040.4

91.00E-092.512E-026.10E+02-1.6

101.00E-102.512E-046.10E+00-3.6

111.00E-112.512E-066.10E-02-5.6

121.00E-122.512E-086.10E-04-7.6

131.00E-132.512E-106.10E-06-9.6

141.00E-142.512E-126.10E-08-11.6

Plan1

Regio de solubilidade

CaCO3(s)

Log [Ca2+]

pH

Log [Ca2+]

Plan2

Plan3

MBD000AEDBE.unknown

MBD00096063.unknown

Constantes de solubilidade para compostos relacionados ao processo de remoo da durezaFonte: Chemistry of Water Treatment, Samuel D. Faust; Osman M. Aly. 1999.


Consumo de produtos qumicos para o abrandamentoA determinao do consumo de produtos considera as quantidades estequiomtricas baseadas nas equaes das reaes qumicas envolvidas;Com base na anlise qumica da gua determina-se os tipos de dureza presentes;Tambm importante determinar a concentrao de cido carbnico.


Consumo de produtos qumicos para o abrandamentoConcentrao de cido carbnico:


Consumo de produtos qumicos para o abrandamentoA obteno dos tipos de dureza feita por meio de uma escala em meq, com linhas acima e abaixo desta escala;Nas linhas sero indicadas as concentraes de ctions (acima) e nions (abaixo).


Consumo de produtos qumicos para o abrandamentoOs ctions e nions devem ser apresentados nas seguintes ordens:Ctions:Ca2+; Mg2+, Na+; K+ (caso necessrio);nions:HCO3-; SO42-; Cl-; NO3- (caso necessrio).Para efeito de clculo admite-se que a concentrao de ons carbonato seja zero.


Exemplo de clculoAnlise de qualidade da guaa - unidades


Diagrama de identificao12345610meq/LCa2+ = 4,79Mg2+ = 1,56HCO3- = 2,18SO42- = 4,33Na+ = 0,78Cl- = 0,705Dureza de clcio por carbonato = 2,18 meq/L;Dureza de clcio no carbonato = 2,61 meq/L;Dureza de magnsio no carbonato = 1,56 meq/L.


Dosagens de Produtos QumicosPara o caso da dureza de Mg no carbonato deve-se considerar a necessidade de reao com o clcio do hidrxido


Equaes complementares[Ca2+]original + [Ca2+]adicionado = Ctoriginal + [CO32-]adicionadoRelao de neutralidade de cargas:carga de ctions = carga dos nions;O valor de Ct original obtido com base na concentrao de bicarbonato e a respectiva constante de dissociao:


Processos de AbrandamentoO abrandamento por precipitao qumica pode ser feito por:Processo sem excesso de cal ou carbonato:Especfico para remoo de dureza devida ao clcio;Processo com excesso de cal ou carbonato:Quando feita a remoo de dureza devida a clcio e magnsio;Estes processos podem ser realizados em uma ou duas etapas;Em todos os casos deve ser feito o ajuste da estabilidade da gua.


Processo de abrandamento em um nico estgio sem ou com excesso de cal ou carbonato


Processo de abrandamento em dois estgios com excesso de cal ou carbonato


Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamentoOs processos de coagulao e sedimentao utilizao equipamentos similares aos utilizados no processo de clarificao;Mistura rpida:Geralmente feita em dispositivo hidrulico. Floculao:Utilizao de misturadores horizontais ou verticais (tipo turbina);Tempo de deteno de 30 a 45 minutos;Gradientes de floculao variados, podendo-se ter at trs estgios;O projeto deve facilitar a limpeza peridica.


Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamentoSedimentao:Taxa de aplicao:1 a 2,4 m/h.Tempo de deteno hidrulico:2 a 4 horas.Filtrao:Utiliza-se as taxas empregadas na filtrao em sistemas convencionas.No processo de abrandamento, a recirculao de uma parcela do lodo para o incio do processo acelera as reaes de precipitao.


Sistema de tratamento de gua Water Factory 21


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