UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA

PR-REITORIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA SANITRIA E AMBIENTAL

ELAINE CARVALHO DA PAZ

ANLISE DA EFICINCIA DE REMOO DE FERRO E MANGANS DE GUAS DE

ABASTECIMENTO POR FILTRAO ADSORTIVA

PONTA GROSSA

2016

ELAINE CARVALHO DA PAZ

ANLISE DA EFICINCIA DE REMOO DE FERRO E MANGANS DE GUAS DE

ABASTECIMENTO POR FILTRAO ADSORTIVA

Dissertao apresentada como requisito parcial

para a obteno do ttulo de Mestre em

Engenharia Sanitria e Ambiental, na rea de

Saneamento Ambiental e Recursos Hdricos, no

Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Sanitria e Ambiental da Universidade

Estadual de Ponta Grossa.

Orientador: Profa. Dra. Giovana Katie Wiecheteck

Coorientador: Profa. Dra. Jeanette Beber de Souza

PONTA GROSSA

2016

Ficha CatalogrficaElaborada pelo Setor de Tratamento da Informao BICEN/UEPG

348Paz, Elaine Carvalho da Anlise da Eficincia de remoo deferro e mangans de guas de abastecimentopor filtrao adsortiva/ Elaine Carvalhoda Paz. Ponta Grossa, 2016. 123p.; il.

Dissertao (Mestrado em EngenhariaSanitria e Ambiental - rea deConcentrao: Saneamento Ambiental eRecursos Hdricos), Universidade Estadualde Ponta Grossa. Orientadora: Prof Dr Giovana KatieWiecheteck. Coorientadora: Prof Dr Jeanette Beberde Souza.

1.Tratamento de gua. 2.Remoo demetais. 3.Filtro piloto. 4.Adsoro.5.Lixiviao. I.Wiecheteck, Giovana Katie. II. Souza, Jeanette Beber de. III.Universidade Estadual de Ponta Grossa.Mestrado em Engenharia Sanitria eAmbiental. IV. T.

CDD: 628.16

Dedico este trabalho minha me Maria Gela (in memoriam) que me

ensinou a beleza das palavras quando eu ainda no sabia ler.

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela vida que me foi dada.

Profa. Dra. Giovana Katie Wiecheteck pela contribuio de seus conhecimentos na

orientao desta dissertao, pelo apoio, incentivo e confiana.

Profa. Dra. Jeanette Beber de Souza pela contribuio e sugestes na co-orientao desta

dissertao.

Profa. Dra. Jacqueline Aparecida Marques, do DEQUIM/UEPG, pela valorosa contribuio

nos ensaios de lixiviao e anlises qumicas.

minha orientadora e co-orientadora e aos professores Profa. Dra. Maria Magdalena Ribas

Dll, Prof. Dr. Jorim Sousa das Virgens Filho e Prof. Dr. Marcos Rogrio Szeliga pela

excelncia na docncia das disciplinas por mim cursadas.

Doutoranda Josiane Carneiro Souza, do C-LABMU, pelo auxlio nas anlises de MEV-

FEG.

s Indstrias Celta Brasil Ltda. pelo fornecimento da Zelita e orientaes ao longo da

pesquisa.

Ao engenheiro da Sanepar Irineu Delai, meu grande mentor profissional e espiritual.

Ao engenheiro da Sanepar Wandir Nogueira, pela superviso, e aos engenheiros da Sanepar

Marco Antonio Cenovicz e Carla Denise Marin por me oportunizarem cursar o mestrado.

Ao Eng. Ronald Gervasoni e Qumica Karina Kriguel, ambos da Sanepar, pela viabilizao

das anlises fsico-qumicas das amostras de lixiviado no laboratrio TECLAB.

Ao Eng. Rafael Polak (Sanepar) pelo apoio, liberao do espao para montagem do filtro

piloto e disponibilizao do laboratrio e equipamentos da ETA-Iap, para efetivao dos

ensaios de determinao de parmetros e aos tcnicos da ETA-Iap pelo apoio, ajuda e

pacincia. Obrigada Simone, Alan, Felipe, Anderson, Vilmar, Nilson e Osias.

Ao Tcnico Qumico Daniel Nunes (Sanepar) por toda a ajuda, sem voc esta pesquisa no

teria se tornado possvel, muito obrigada meu amigo.

Ao meu amigo-irmo Denis Schechtel Neves pelo apoio emocional e braal.

A Ayrison Fitztum pela ajuda.

Carolina pela pacincia, compreenso, apoio e incentivo.

minha famlia (Stitch-Ohana) por sempre estar junto comigo quando precisamos pular

uma janela.

A todos aqueles que contriburam de forma direta ou indireta ao desenvolvimento desta

pesquisa.

O mundo a oficina, o corpo a ferramenta, a existncia a

oportunidade, o dever a executar a misso a cumprir (Emmanuel).

RESUMO

O presente trabalho avalia a eficincia de remoo de ferro (Fe), mangans (Mn), cor aparente

e turbidez, utilizando a filtrao adsortiva em relao filtrao convencional, com utilizao

uma Zelita natural como material de segunda camada, em uma unidade piloto com tipologia

construtiva e operacional semelhante de um filtro rpido descendente e a gravidade. Como

material adsorvente foi selecionado a Zelita WATERCELL-ZF-0410

, comercialmente

disponvel, clinoptilotita proveniente de Cuba, por possuir caractersticas fsicas semelhantes

do carvo antracito. Foram realizados ensaios de caracterizao morfolgica (MEV-FEG) e

elementar (EDS), de caracterizao fsica (granulometria, massa especfica, tamanho efetivo e

coeficiente de desuniformidade), de lixiviao e de filtrao em escala piloto. Da anlise de

caracterizao morfolgica, verificou-se que a Zelita em estudo tem alta capacidade de

adsoro, com predisposio para adsoro de ferro, mangans e enxofre, em escala superior

ao carvo antracito. Da anlise de caracterizao fsica, verificou-se que a Zelita em estudo

um material uniforme, bem graduado, possui equivalncia fsica com o carvo antracito e

pode ser utilizada como material filtrante de segunda camada. Da anlise de lixiviao,

verificou-se que, possivelmente, no haver desprendimento, acima do valor mximo

permitido na Resoluo Conama n. 357/2005, dos metais detectados no extrato lixiviado para

a gua de lavagem de um filtro que utilize esse material como meio filtrante, bem como,

possivelmente, no ocorrer desprendimento destes metais no sistema de disposio final

deste resduo. Da anlise da filtrao em escala piloto, concluiu-se que vivel a concepo

de um projeto de filtro a gravidade, com filtrao descendente, ao de profundidade e dupla

camada, utilizando a Zelita WATERCEL-ZF-0410

como material de segunda camada e

que, esta concepo de tratamento, nas condies, parmetros e configuraes estudadas,

apresentou eficincia mdia de: 100,00% para remoo de mangans; 96,17% para remoo

de ferro; 99,90% para remoo de cor aparente; e 98,96% para remoo de turbidez.

Palavras-chave: tratamento de gua, remoo de metais, filtro piloto, adsoro, meio

filtrante, lixiviao.

ABSTRACT

The present study evaluates the iron removal efficiency (Fe), manganese (Mn), apparent color

and turbidity, using adsorptive filtration compared with conventional filtration, using a natural

Zeolite as layer second material in a pilot unit with constructive and operational typology

similar to the rapid downward filter, gravity and double layer. As adsorbent material was

selected Zeolite WATERCELL-ZF-0410, commercially available Clinoptilotite from Cuba,

for having physical characteristics similar to the anthracite coal. Morphological

characterization assays were performed (FEG-SEM) and elemental (EDS), physical

characteristics (particle size, density, effective size and uniformity coefficient), lixiviation and

filtration on a pilot scale. Morphological characterization analysis, it was found that the

zeolite under consideration has a high adsorption capacity, prone to adsorption iron,

manganese and sulfur in the upper range anthracite coal. The physical characterization

analysis, it was verified that this Zeolite is a uniform material and graduated, has physical

similarity to the coal and anthracite can be used as filtering material of the layer second.

Leaching analysis showed that, possibly, there will be no release above the maximum value

allowed in CONAMA Resolution n. 357/2005, metals detected in the leached extract for a

backwashing of filter using this material as media filter, as well as probably not occur

detachment of these metals in the final disposal of this waste system. The filtration analysis

on a pilot scale concluded that designing a filter with downward filtration, with depth action

and double layer using the Zeolite WATERCEL-ZF-0410

on the layer second, is viable. The

conception of treatment proposed, in the conditions, parameters and settings studied, has

average efficiency: 100.00% for the removal of manganese; 96.17% for the removal of iron;

99.90% for the removal of apparent color; and 98.96% for the removal of turbidity.

Keywords: water treatment, metal removal, pilot filter, adsorption, filter material, lixiviation.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 01 Solubilidade das espcies de ferro e mangans em funo do pH............. 25

FIGURA 02 Modelo de uma resina de permuta inica catinica................................... 28

FIGURA 03 Estrutura qumica de uma resina catinica................................................ 29

FIGURA 04 Planta de tratamento por permuta inica................................................... 30

FIGURA 05 Esquema de um sistema de aerao seguida de filtrao........................... 32

FIGURA 06 Planta de tratamento por aerao hidrulica e filtros de presso............... 32

FIGURA 07 Esquema de um sistema de oxidao qumica e filtrao pressurizada..... 34

FIGURA 08 Planta de tratamento por oxidao qumica e filtros de presso................ 34

FIGURA 09 Exemplo de um gro de um material adsorvente....................................... 35

FIGURA 10 Planta de tratamento por oxidao cataltica e filtros de presso.............. 36

FIGURA 11 Exemplo da estrutura de um quelante........................................................ 39

FIGURA 12 Exemplo de tubulao incrustada e reservatrio com material quelado

depositado.................................................................................................. 40

FIGURA 13 Representao esquemtica de troca inica............................................... 41

FIGURA 14 Representao esquemtica do arranjo da estrutura qumica da

clinoptilotita............................................................................................... 42

FIGURA 15 Representao esquemtica do microscpio microeletrnico de

varredura de alta resoluo......................................................................... 45

FIGURA 16 Microscpio eletrnico de varredura de alta resoluo............................. 46

FIGURA 17 Metalizao das amostras.......................................................................... 46

FIGURA 18 Quarteamento das amostras....................................................................... 47

FIGURA 19 Peneiramento das amostras........................................................................ 48

FIGURA 20 Fluxograma do ensaio de lixiviao.......................................................... 52

FIGURA 21 Primeira etapa do ensaio de lixiviao: preparao do extrato lixiviado... 53

FIGURA 22 Segunda etapa do ensaio de lixiviao: agitao por 18 h......................... 54

FIGURA 23 Terceira etapa do ensaio de lixiviao: filtrao a vcuo e medida de pH 55

FIGURA 24 Projeto do Filtro Piloto............................................................................... 61

FIGURA 25 Filtro Piloto................................................................................................ 62

FIGURA 26 Detalhe tomadas de presso....................................................................... 63

FIGURA 27 Detalhe caixa de alimentao de nvel constante....................................... 63

FIGURA 28 Detalhe tomada de gua decantada e inter-clorao.................................. 63

FIGURA 29 Detalhe das unidades de coleta de gua filtrada e reservatrio de gua

de lavagem................................................................................................. 64

FIGURA 30 Detalhe da operao de retrolavagem........................................................ 65

FIGURA 31 Esquema operacional do filtro piloto......................................................... 66

FIGURA 32 Coletas de amostras.................................................................................... 67

FIGURA 33 Ensaio de determinao de ferro total........................................................ 69

FIGURA 34 Ensaio de determinao do mangans....................................................... 69

FIGURA 35 Ensaio de determinao de cor aparente.................................................... 71

FIGURA 36 Ensaio de determinao de turbidez.......................................................... 71

FIGURA 37 Ensaio de determinao de pH................................................................... 71

FIGURA 38 Ensaio de determinao de cloro livre....................................................... 72

FIGURA 39 Mananciais superficiais de abastecimento de Castro................................. 73

FIGURA 40 ETA-Iap................................................................................................... 74

FIGURA 41 MEV-FEG para o carvo antracito, com magnificaes de 2.000 e 6.000

vezes........................................................................................................... 76

FIGURA 42 MEV-FEG para a Zelita WATERCEL-ZF-0410

, com magnificaes

de 3.000 e 10.000 vezes............................................................................. 77

FIGURA 43 Espectros de EDS correspondente amostra de carvo antracito, com

magnificao de 2.000 vezes...................................................................... 78

FIGURA 44 Espectros de EDS correspondente amostra de carvo antracito, com

magnificao de 6.000 vezes...................................................................... 79

FIGURA 45 Espectros de EDS correspondente amostra de Zelita WATERCEL-

ZF-0410

, com magnificao de 3.000 vezes............................................ 81

FIGURA 46 Espectros de EDS correspondente amostra de Zelita WATERCEL-

ZF-0410

, com magnificao de 10.000 vezes.......................................... 82

FIGURA 47 Curvas granulomtricas para as amostras de carvo antracito................... 84

FIGURA 48 Curvas granulomtricas para as amostras a Zelita WATERCEL-ZF-

0410

.......................................................................................................... 85

FIGURA 49 Grficos de perdas de carga relativas para o filtro piloto: ensaio 1........... 92

FIGURA 50 Grficos de perdas de carga relativas para o filtro piloto: ensaio 2........... 93

FIGURA 51 Grficos de perdas de carga relativas para o filtro piloto: ensaio 3........... 95

FIGURA 52 Grficos de perdas de carga relativas para o filtro piloto: ensaio 4........... 97

FIGURA 53 Grficos comparativos de perdas de carga................................................. 98

FIGURA 54 Diagramas de caixa para o parmetro medido Temperatura..................... 100

FIGURA 55 Diagramas de caixa para o parmetro medido pH..................................... 101

FIGURA 56 Diagramas de caixa para o parmetro medido Cor Aparente.................... 102

FIGURA 57 Diagramas de caixa para o parmetro medido Turbidez........................... 104

FIGURA 58 Diagramas de caixa para o parmetro medido Ferro Total........................ 106

FIGURA 59 Diagramas de caixa para o parmetro medido Mangans......................... 107

LISTA DE QUADROS

QUADRO 01 Formas do Ferro na gua....................................................................... 27

QUADRO 02 Dosagens recomendadas por cada mg.L-1

do elemento (reteno

mnima)...................................................................................................... 38

QUADRO 03 Composio qumica e caractersticas fsicas da Zelita WATERCELL-

ZF-0410

................................................................................................... 43

LISTA DE TABELAS

TABELA 01 Caractersticas fsicas e operacionais do carvo antracito, segundo o

fabricante................................................................................................... 50

TABELA 02 Caractersticas fsicas e operacionais da Zelita WATERCEL-ZF-

0410

, segundo o fabricante...................................................................... 50

TABELA 03 Caractersticas fsicas e operacionais da areia, segundo o fabricante......... 57

TABELA 04 Parmetros fsico-qumicos analisados....................................................... 67

TABELA 05 Caractersticas da gua bruta...................................................................... 73

TABELA 06 Processos qumicos aplicados na ETA-Iap............................................... 75

TABELA 07 Composio da amostra de carvo antracito, segundo a anlise por EDS. 80

TABELA 08 Composio da amostra da Zelita WATERCEL-ZF-0410

, segundo a

anlise por EDS......................................................................................... 80

TABELA 09 Caractersticas fsicas calculadas para os materiais filtrantes em estudo... 83

TABELA 10 Teste de Shapiro-Wilk para os ensaios de caracterizao fsica dos

materiais filtrantes..................................................................................... 86

TABELA 11 Teste de T-Student para os ensaios de caracterizao fsica dos materiais

filtrantes..................................................................................................... 86

TABELA 12 Teste T.test para os ensaios de caracterizao fsica dos materiais

filtrantes..................................................................................................... 87

TABELA 13 Resultados dos ensaios de lixiviao para o carvo antracito.................... 88

TABELA 14 Resultados dos ensaios de lixiviao para a Zelita WATERCEL-ZF-

0410......................................................................................................... 89

TABELA 15 Resultados de pH para os ensaios de lixiviao......................................... 90

TABELA 16 Taxas de filtrao aplicadas nas baterias de ensaio de filtrao piloto....... 90

TABELA 17 Ensaios de determinao de parmetros de qualidade: ensaio 1................ 111

TABELA 18 Ensaios de determinao de parmetros de qualidade: ensaio 2................ 112

TABELA 19 Ensaios de determinao de parmetros de qualidade: ensaio 3................ 113

TABELA 20 Ensaios de determinao de parmetros de qualidade: ensaio 4................ 114

LISTA DE SIGLAS

ABES Associao Brasileira de Engenharia Sanitria e Ambiental

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

AEPG Associao dos Engenheiros de Ponta Grossa

APHA American Public Health Association

ASTM American Society for Testing and Materials

AWWA American Water Works Association

CAG carvo ativado granular

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

CT carbono total

COT carbono orgnico total

CTC capacidade de troca inica

DF dupla filtrao

DPD N,N-diethyl-p-phenylenediamine

EDS Energy Dispersive Spectroscopy

ETA estao de tratamento de gua

ETL estao de tratamento de lodo

FD filtrao direta

FDD filtrao direta descendente

FEG Field Emission Electro Gun

IAP Instituto Ambiental do Paran

ITA Instituto Tecnolgico de Aeronutica

MEV Microscopia Eletrnica de Varredura

MPa mega Pascal

NBR Norma Brasileira

SAA sistema de abastecimento de gua

SANEPAR Companhia de Saneamento do Paran

TPTZ 2,4,6-Tripyridyl-s-triazine

UEPG Universidade Estadual de Ponta Grossa

UFSC Universidade Federal de Santa Catarina

UNESCO United Nation Educational Scientific and Cultural Organization

UNICENTRO Universidade do Centro Oeste

VMP valor mximo permitido

WQA Water Quality Association

SUMRIO

1. INTRODUO.................................................................................................. 15

1.1. CONSIDERAES INICIAIS........................................................................... 15

1.2. JUSTIFICATIVA................................................................................................ 17

2. OBJETIVOS....................................................................................................... 18

2.1. OBJETIVO GERAL............................................................................................ 18

2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS.............................................................................. 18

3. REVISO BIBLIOGRFICA......................................................................... 19

3.1. A DISPONIBILIDADE DE GUAS DE ABASTECIMENTO......................... 19

3.2. CONCEITO DE IMPUREZA E QUALIDADE DA GUA.............................. 20

3.3. OCORRNCIA DE FERRO E MANGANS EM MANANCIAIS................... 22

3.4. FORMAS PREDOMINANTES DO FERRO E DO MANGANS NA GUA 24

3.5. DANOS E TOXICIDADE REFERENTES OCORRNCIA DE FERRO E

MANGANS NA GUA................................................................................... 25

3.6. REMOO DE FERRO E MANGANS.......................................................... 26

3.6.1. Permuta Inica..................................................................................................... 28

3.6.2. Aerao seguida de Filtrao............................................................................... 30

3.6.3. Oxidao qumica seguida de filtrao................................................................ 33

3.6.4. Oxidao cataltica em meio filtrante.................................................................. 35

3.6.5. Outros processos de remoo de ferro e mangans............................................. 39

3.7. FILTRAO ADSORTIVA UTILIZANDO ZELITA NATURAL............... 40

4. MATERIAIS E MTODOS............................................................................. 44

4.1. CARACTERIZAO MORFOLGICA E ELEMENTAR.............................. 44

4.2. CARACTERIZAO FSICA........................................................................... 46

4.3. ENSAIO DE LIXIVIAO DOS MATERIAIS FILTRANTES CARVO

ANTRACITO E ZELITA................................................................................. 51

4.4. FILTRAO EM ESCALA PILOTO................................................................ 56

4.4.1. Projeto e implantao do Filtro Piloto.................................................................. 56

4.4.2. Ensaio de filtrao piloto...................................................................................... 62

4.4.3. Determinao de parmetros fsico-qumicos...................................................... 67

4.4.4. Descrio da Estao de Tratamento de gua de Castro: ETA-Iap................... 72

5. RESULTADOS E DISCUSSES........................................................................ 76

5.1. CARACTERIZAO MORFOLGICA E ELEMENTAR................................. 76

5.2. CARACTERIZAO FSICA.............................................................................. 83

5.3. ENSAIO DE LIXIVIAO DOS MATERIAIS FILTRANTES DOS

MATERIAIS FILTRANTES CARVO ANTRACITO E ZELITA.................. 88

5.4. FILTRAO EM ESCALA PILOTO................................................................... 90

5.4.1. Anlise de Perda de Carga..................................................................................... 91

5.4.2. Anlise de Parmetros de Qualidade..................................................................... 99

6. CONCLUSES..................................................................................................... 115

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS........................................................................ 118

15

1. INTRODUO

1.1. CONSIDERAES INICIAIS

A gua um recurso natural que agrega valor econmico, estratgico e social. Por

ser essencial existncia do ser humano e manuteno dos ecossistemas do planeta, pode

ser classificado como um bem comum de toda a humanidade (BROWN et al., 2000).

Aproximadamente 97,50% da gua do planeta est depositada nos mares e oceanos,

cerca de 2,50% classificada como gua doce, mas em sua maior poro encontram-se em

geleiras ou regies subterrneas (aquferos) de difcil acesso, sendo que apenas 0,007% desta

gua doce est depositada em locais de fcil acesso para o consumo humano, como em rios e

lagos (SHIKLOMANOV, 1998).

Segundo Barlow e Clarke (2003), estima-se que cerca de mais de um bilho de

pessoas no tem acesso gua potvel e a servios de saneamento bsico, e que, em um

perodo de 25 anos, at 2/3 da populao mundial estar vivendo com severa escassez de gua

doce.

A gua possui uma srie de impurezas que a caracterizam fisicamente, quimicamente

e biologicamente (AZEVEDO NETO et al., 1978). Estas caractersticas determinam o grau de

qualidade da gua e, consequentemente, o grau de tratamento a ser efetuado para que esta

gua seja disponibilizada para consumo. Assim, o conceito de impureza de uma gua

relativo, pois funo do uso que se pretende dar a gua (DI BERNARDO E PAZ, 2009).

O ferro um metal abundante na natureza, ocorrente habitualmente em guas

subterrneas sob a forma de bicarbonato ou de sulfito e em guas de reao cida, sobretudo

em minas, sob a forma de sulfato (CLEASBY, 1975), em guas superficiais tambm se

apresenta sob a forma de sulfato (DI BERNARDO E DANTAS, 2005). Pode aparecer

associado ao mangans e/ou ao sulfito de hidrognio, sendo molculas de difcil remoo. O

sucesso da resoluo deste tipo de problema, no tratamento de guas de abastecimento,

depende das caractersticas fsico-qumicas do sistema (CONNER, 2000).

Existem vrias opes que podem ser utilizadas separadamente ou em conjunto, para

reduzir ou remover o ferro, bem como mangans e sulfito de hidrognio, na estao de

tratamento de gua. Dependendo das condies de aplicao, os mtodos convencionais

existentes podem ser distribudos pelos seguintes grupos (AWWA, 2011; WQA, 1983,

CLEASBY, 1975): Permuta Inica; Aerao seguida de filtrao; Oxidao Qumica seguida

de filtrao; Oxidao Cataltica em meio filtrante confinado.

16

Todas estas solues tm em comum a adio de duas ou mais unidades de processo

no sistema de tratamento, unidades estas que exigiro ampliao construtiva civil e

eletromecnica da estao de tratamento de gua, bem como, ampliao dos custos

operacionais, uma vez que, algumas destas solues requerem mo-de-obra especializada,

automatizao e aquisio de novos produtos qumicos (AWWA, 2011). Em adio, existe

ainda a questo de disposio dos efluentes gerados por estas novas unidades de processo, que

no so passveis de tratamento nas estaes de tratamento de lodo ETL convencionais

(RICHTER, 2001).

A Portaria Federal n. 2914/2011, do Ministrio da Sade, que estabelece os padres

de potabilidade da gua para consumo humano no Brasil, fixa os seguintes valores mximos

permissveis na gua tratada para o ferro (Fe) de 0,30 mg.L-1

e para o mangans (Mn) de 0,10

mg.L-1

(BRASIL, 2011).

Vrios mananciais subterrneos e superficiais explorados e eletivos para futura

explorao, no Estado do Paran, apresentam concentraes elevadas de ferro e mangans,

necessitando de processos de tratamento complexos e dispendiosos, considerando ser o

abastecimento pblico (SANEPAR, 2013a; CONNER, 2000) que, em alguns casos, somente

capturam os ons metlicos na etapa de tratamento e os depositam, posteriormente, na rede de

distribuio de gua, na qual podem ser novamente liberados na gua por hidrlise (AWWA,

2011).

Estima-se a seguinte ocorrncia, em concentraes elevadas, de ferro e mangans,

nos mananciais do Estado do Paran (SANEPAR, 2013a):

Em 12% dos mananciais superficiais em explorao;

Em 4% dos mananciais subterrneos em explorao;

Em 27% dos mananciais superficiais com capacidade de explorao;

Em 43% dos mananciais subterrneos com capacidade de explorao (poos

perfurados).

Um exemplo desta situao so os mananciais de abastecimento de gua do

municpio de Castro PR, que apresentam concentraes elevadas destes metais, os quais so

tratados a partir de trs processos adicionais de tratamento no ciclo convencional, a saber: pr-

oxidao, inter-oxidao e quelao (PAZ, 2013).

17

1.2. JUSTIFICATIVA

Vrios mananciais subterrneos e superficiais explorados e eletivos para futura

explorao, no Estado do Paran, apresentam concentraes elevadas de ferro e mangans,

necessitando de processos de tratamento complexos e dispendiosos, para o tratamento de

guas de abastecimento pblico (SANEPAR, 2013a; CONNER, 2000) que, em alguns casos,

somente capturam os ons metlicos na etapa de tratamento e os depositam, posteriormente,

na rede de distribuio de gua e em reservatrios, os quais podem ser novamente liberados

na gua por hidrlise (AWWA, 2011).

Um exemplo desta situao so os mananciais de abastecimento de gua do

municpio de Castro PR, que apresentam concentraes elevadas destes metais, gerando a

necessidade de insero de mais trs processos de tratamento no ciclo convencional, a saber,

pr-oxidao, inter-oxidao e quelao, sendo que os dois primeiros so efetivados por

clorao, gerando uma situao propcia formao de compostos organoclorados, e o

terceiro, possibilita a deposio destes metais nas unidades localizadas e lineares do sistema

de abastecimento de gua do municpio de Castro (PAZ, 2013).

Neste sentindo, uma alternativa tcnica para remoo de ferro e mangans, utilizando

um sistema de tratamento convencional, seria substituio da etapa de filtrao rpida

descendente existente por um processo de filtrao adsortiva.

18

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GERAL

Propor um processo alternativo para a remoo de ferro (Fe) e mangans (Mn) de

guas de abastecimento pblico, por meio de filtrao descendente a gravidade, com a

aplicao de meio filtrante adsorvente disponvel comercialmente.

2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

Este projeto tem como objetivos especficos:

Caracterizar morfologicamente e de forma elementar o material adsorvente e o seu

comparativo, a saber, o carvo antracito, atravs de microscopia eletrnica de

varredura por efeito de campo (MEV-FEG) e de espectroscopia de energia

dispersiva (EDS);

Caracterizar fisicamente o material adsorvente e o seu comparativo, a saber, o

carvo antracito, atravs de ensaios de granulometria, massa especfica, tamanho

efetivo e coeficiente de desuniformidade;

Determinar a composio de lixiviados gerados pelo material adsorvente e o seu

comparativo, a saber, o carvo antracito;

Realizar ensaios de filtrao descendente adsortiva em escala piloto, com o

adsorvente em estudo (Zelita WATERCEL-ZF-0410

), para determinao de

parmetros operacionais e da eficincia de remoo de ferro e mangans.

19

3. REVISO BIBLIOGRFICA

3.1. A DISPONIBILIDADE DE GUAS DE ABASTECIMENTO

A gua um recurso natural que agrega valor econmico, estratgico e social. Por

ser essencial existncia do ser humano e manuteno dos ecossistemas do planeta, pode

ser classificado como um bem comum de toda a humanidade (BROWN et al., 2000).

Aproximadamente 97,50% da gua do planeta est depositada nos mares e oceanos,

cerca de 2,50% classificada como gua doce, mas em sua maior poro encontram-se em

geleiras ou regies subterrneas (aquferos) de difcil acesso, sendo que apenas 0,007% desta

gua doce est depositada em locais de fcil acesso para o consumo humano, como em rios e

lagos (SHIKLOMANOV, 1998).

Em termos de disponibilidade renovvel de gua doce, estimam-se as seguintes

porcentagens continentais: frica com 10,00%, Amrica do Norte com 18,00%, Amrica do

Sul com 23,10%, sia com 31,60%, Europa com 7,00%, Oceania com 5,30% e Antrtida com

5,00% (UNESCO, 2003).

Estudos indicam que o Brasil detm 13,80% da gua doce superficial do mundo, com

uma disponibilidade hdrica per capita em torno de 1.835 m3.hab

-1.ano

-1. A maior

disponibilidade para captao est na Regio Amaznica, com cerca de 70,00% da gua

disponvel para uso. Os 30,00% restantes distribuem-se desigualmente pelo pas, atendendo

hoje cerca de 93,00% da populao brasileira, contudo, somente 66,00% passam por

tratamento adequado antes de serem disponibilizados para o consumo humano (FREITAS E

SANTOS, 1999).

Diversas regies do planeta enfrentam, atualmente, uma crise severa de falta de gua

potvel para o consumo humano. A UNESCO indica que esta crise tem forte relao com a

ausncia de gesto dos recursos hdricos, interesses econmicos e falta de polticas pblicas

sustentveis (UNESCO, 2003).

Cerca de onze pases da frica e nove do Oriente Mdio, atualmente, no tm gua

potvel para consumo humano. A situao tambm crtica no Mxico, Hungria, ndia,

China, Tailndia e Estados Unidos (UNESCO, 2003).

Segundo Barlow e Clarke (2003), estima-se que cerca de mais de um bilho de

pessoas no tem acesso gua potvel e a servios de saneamento bsico, e que, em um

perodo de 25 anos, at 2/3 da populao mundial estar vivendo em uma situao de severa

escassez de gua doce.

20

Especialistas acreditam que em cerca de 20 anos a gua se tornar um commodity em

crise, tal como o petrleo, tanto no que diz respeito sua qualidade como sua

disponibilidade (BROWN et al., 2000).

3.2. CONCEITO DE IMPUREZA E QUALIDADE DA GUA

A gua pura no existe na natureza, uma vez que, esta um solvente universal

(AZEVEDO NETO et al., 1978). A gua para consumo humano deve ser potvel, no sendo

quimicamente pura, pois a presena de certos minerais na gua essencial sade humana

(BABBITTI et al., 1976).

A gua poluda aquela que teve contato com fontes de efluentes no tratados ou

outros lquidos em suspenso, tornando-se ofensiva para a viso e o olfato. A gua

contaminada aquela que foi poluda pelo contato com materiais txicos, bactrias e/ou

outras substncias deletrias que a tornam imprpria para o consumo humano. A gua

infectada aquela contaminada por organismos patognicos (BABBITTI et al., 1976).

A gua possui uma srie de impurezas que a caracterizam fisicamente, quimicamente

e biologicamente (AZEVEDO NETO et al., 1978). Estas caractersticas determinam o grau de

qualidade da gua e, consequentemente, o grau de tratamento a ser efetuado para que esta

gua seja disponibilizada para consumo. Assim, o conceito de impureza de uma gua

relativo, pois funo do uso que se pretende dar a gua (DI BERNARDO E PAZ, 2009).

A qualidade da gua distribuda, aps o processo de tratamento, tambm pode ser

alterada em funo de: (1) ocorrncia de corroso nas tubulaes metlicas; (2) processos de

lavagem e limpeza do sistema distribuidor, sem um sistema de manobras adequado, que

desprendem e deslocam resduos indesejados; contaminao por micro-organismos

patognicos presentes no solo e atravs de vazamentos; (3) interligaes clandestinas; (4)

liberao de metais depositados na rede, anteriormente, seja por precipitao, atravs de

processos oxidativos, ou seja, por reverso de processo de quelao, atravs de hidrlise

contnua; (5) proliferao de bactrias ferruginosas nocivas (MYNENI et al., 1999;

BABBITTI et al., 1976).

Um corpo hdrico classificado como manancial quando suas caractersticas com

relao sua qualidade e disponibilidade o enquadram como apto para explorao. A gua

captada de um manancial denominada de gua bruta (DI BERNARDO E PAZ, 2009). Na

gua bruta so encontradas vrios tipos de impurezas, algumas mais comuns e outras com

caractersticas especiais. Elas so classificadas quanto sua natureza (naturais ou artificiais),

21

quanto sua aquisio (por guas metericas, superficiais, subterrneas ou pelo sistema de

abastecimento), quanto forma de apresentao e seus principais efeitos (em suspenso, em

estado coloidal e em dissoluo) (AZEVEDO NETO et al., 1978).

As impurezas presentes na gua so incorporadas nas fases de seu ciclo hidrolgico,

a saber: (1) precipitao atmosfrica, que incorpora impurezas existentes na atmosfera e, em

casos menos frequentes, micro-organismos patognicos; (2) escoamento superficial, com

incorporao de minerais, matria orgnica, compostos orgnicos etc.; (3) infiltrao do solo,

com incorporao de compostos solveis que foram inadequadamente dispostos no solo,

como nos casos de fossas negras e lixiviados de lixes; (4) despejos diretos de guas

residurias, resduos slidos, esgotos sanitrios e resduos lquidos industriais, que favorecem

a formao de algas (DI BERNARDO E PAZ, 2009; AZEVEDO NETO et al., 1978).

Com relao ao tipo de impureza incorporada, pode-se classificar a gua bruta como

(CONNER, 2000; AZEVEDO NETO et al., 1978):

gua bruta com impurezas naturais: as impurezas incorporadas so elementos

comuns da atmosfera ou do solo, tais como gases, sais, micro-organismos comuns

etc.;

gua bruta com impurezas artificiais: as impurezas so incorporadas por

substncias lanadas na atmosfera ou na prpria gua por atividade antrpica, tais

como gases de processos industriais, queimadas, despejos de esgotos domsticos e

industriais, lixiviados provenientes da decomposio de resduos slidos etc.;

gua bruta com impurezas em guas metericas: as impurezas incorporadas so

poeiras, nitrognio, gs carbnico, gs sulfdrico, cloretos e substncias

radioativas.

Com relao ao tipo de manancial, pode-se classificar a gua bruta como (CONNER,

2000; AZEVEDO NETO et al., 1978):

gua bruta com impurezas em guas superficiais: as impurezas so provenientes

de argilas, siltes, algas, micro-organismos diversos, matria orgnica simples ou

complexada, sais metlicos, cloretos, nitratos, nitritos, metano e substncias

radioativas;

22

gua bruta com impurezas em guas subterrneas: as impurezas so adquiridas de

micro-organismos diversos, bicarbonatos, carbonatos, sulfatos, gs sulfdrico, gs

carbnico, sais metlicos, de clcio, de magnsio e de flor;

gua bruta do sistema de abastecimento: micro-organismos diversos, sais de ferro

de tubulaes antigas, cloraminas por deficincia no processo de desinfeco, sais

metlicos e metais pesados.

Com relao ao estado de incorporao da impureza, esta pode ser classificada como

(CONNER, 2000; AZEVEDO NETO et al., 1978):

Impurezas em suspenso: bactrias, algas, protozorios, vrus, vermes, larvas,

mosquitos, areia, silte, argila, resduos industriais e domsticos;

Impurezas em estado coloidal: substncias de origem vegetal, corantes, slica e

vrus;

Impurezas em dissoluo: sais de clcio e de magnsio, bicarbonatos, carbonatos,

sulfatos, cloretos, sais de sdio e de potssio, fluoretos, ferro, mangans, dixido

de carbono, gs sulfdrico, nitrognio, metano, nitritos e nitratos.

No tratamento de gua de abastecimento, as impurezas em dissoluo, como ferro e

mangans em elevadas concentraes, exigem a implantao de mais um processo de

tratamento em uma unidade de tratamento convencional.

3.3. OCORRNCIA DE FERRO E MANGANS EM MANANCIAIS

O ferro um metal abundante na natureza, ocorre habitualmente em guas

subterrneas, que contenham apreciveis quantidades de dixido de carbono dissolvido (30

50 mg.L-1

), sob a forma solvel de bicarbonato ferroso ou de sulfito e em guas de reao

cida, sobretudo em minas, sob a forma de sulfato (DI BERNARDO E DANTAS, 2005;

CLEASBY, 1975).

No solo e em minerais, o ferro ocorre na forma de xido frrico insolvel, ou na

forma de carbonatos insolveis, como a siderita (FeCO3) (WALDE, 1985).

Ao aparecer associado ao mangans e/ou ao sulfito de hidrognio, faz parte de um

trio, designado no tratamento de guas por tringulo das Bermudas, por serem molculas de

23

difcil remoo, contudo, com a vantagem de que o processo de remoo de um dos

componentes pode ser aplicado remoo dos demais (MORUZZI E REALI, 2012;

CONNER, 2000).

No Brasil, comum a ocorrncia de ferro em mananciais subterrneos com guas

agressivas, ou seja, com pH baixo, ricas em gs carbnico e sem oxignio dissolvido, sob a

forma de bicarbonato ferroso dissolvido. O ferro ocorre em mananciais superficiais que

apresentam aluvies, matria orgnica (frequentemente no estado coloidal), poluio por

resduos industriais e atividades de minerao, normalmente na forma trivalente (Fe3+

)

(RICHTER E AZEVEDO NETO, 2007; GALVIN, 1996).

O ferro tem como caracterstica conferir gua um sabor metlico e manchar roupas,

louas sanitrias, pavimentos, paredes e no geral, tudo com que entre em contato, mesmo

quando presente em pequenas quantidades, ou seja, a partir de 0,30 mg.L-1

de ferro

(AZEVEDO NETO et al., 1978). Em adio, a presena de ferro em quantidades acima de

0,50 mg.L-1

inviabiliza o uso da gua para fins industriais, quando esta insumo a ser

incorporado ao processo industrial (RICHTER E AZEVEDO NETO, 2007).

O mangans tem menor ocorrncia em guas de abastecimento do que o ferro e,

geralmente, a sua ocorrncia est associada presena do ferro. Ocorre no solo ou

mineralizado, geralmente, na forma de dixido mangnico. Sua forma solvel ocorre,

geralmente, em guas subterrneas na forma de bicarbonato manganoso. Na forma insolvel,

ocorre mineralizado como carbonato insolvel, sendo os mais abundantes a rodocrosita

(MnCO3) e a pirolusita (MnO2) (MORUZZI E REALI, 2012, WALDE, 1985).

De remoo mais difcil, os danos causados pela presena de mangans, em guas

para consumo humano, se assemelham aos danos causados pela presena de ferro, sua

colorao prpura confere limitaes de ordem esttica utilizao desta gua, contudo em

maior escala do que os problemas provocados pela presena de ferro (RICHTER E

AZEVEDO NETO, 2007).

O ferro e o mangans, encontrados em guas de pH baixo e na ausncia de oxignio,

apresentam-se em formas quimicamente reduzidas e solveis. Se forem oxidados, formam

precipitados, que conferem cor gua, de vermelho a preto, no caso do ferro, e de prpura a

preto, no caso do mangans (GALVIN, 1996).

A presena destes metais na gua, em concentraes elevadas, podem alterar suas

caractersticas fsico-qumicas e organolpticas, bem como, comprometem a qualidade dos

sistemas de distribuio de gua, pela deposio destes elementos (TEKERLEKOPOULOU E

VAYENAS, 2007). Em adio, o ferro e o mangans possibilitam a formao e proliferao

24

de bactrias ferruginosas nocivas, pois so substratos para o crescimento destas (RICHTER E

AZEVEDO NETO, 2007).

O ferro e o mangans podem ocorrer complexados com a matria orgnica presente

na gua, formando complexos orgnicos e quelatos, que imprimem dificuldade a remoo por

processos oxidativos (SNOEYINK E JENKINS, 1980). No caso do ferro, o on Fe(III)

complexado com a matria orgnica mais estvel do que o on Fe(II), ou seja, o primeiro

ter maior disposio de permanncia na gua (AWWA, 2011).

Para o mangans, mais rara a formao de complexados orgnicos ou inorgnicos

em guas naturais superficiais, uma vez que, o processo de hidroxilao do Mn(IV) mais

forte do que o on Fe(III) com [OH]- (SNOEYINK E JENKINS, 1980).

3.4. FORMAS PREDOMINANTES DO FERRO E DO MANGANS NA GUA

O ferro e o mangans apresentam-se dissolvidos na gua em diferentes formas, que

dependem intrinsecamente do pH (AWWA, 2011).

Como hidrxidos complexos, o ferro pode estar presente na forma de ferro trivalente

(Fe3+

), como hidrxido frrico (Fe(OH)3), e na forma divalente (Fe2+

), como hidrxido ferroso

(Fe(OH)2) (CLEASBY, 1975).

O mangans se apresenta na forma divalente [Mn2+

], como hidrxido manganoso

(Mn(OH)2) e como xido de mangans (MnO2), e na forma tetravalente (Mn4+

), como

hidrxido mangnico (Mn(OH)4) ou como permanganato (MnO4) (CLEASBY, 1975).

Outros complexos inorgnicos do ferro e mangans, presentes na gua, se

apresentam na forma de bicarbonatos, sulfatos ou fosfatos. Como complexos orgnicos,

apresentam-se associados a cidos hmicos e flvicos, formando complexos estveis, como

quelatos (BECKETT, 1990).

Na forma de precipitados tem-se (CLEASBY, 1975):

Fe (II) precipitado, dependendo da alcalinidade do meio, formar (Fe(OH)2);

Fe (III) precipitado formar (Fe(OH)3);

Mn (II) precipitado formar (Mn(OH)2) ou (MnCO3);

Mn (IV) precipitado formar (MnO2).

25

Em ambientes alcalinos, o ferro e o mangans precipitam na presena de carbonatos

como a cal (Ca(OH)2) e soda custica (NaOH) (AWWA, 2011).

Na Figura 01, apresentada a solubilidade das espcies de ferro e de mangans, em

funo do pH, com concentrao total de carbonato de 10-3

M.

FIGURA 01 Solubilidade das espcies de ferro e mangans em funo do pH

Fonte: Adaptado de OCONNOR, 1999.

Da anlise da Figura 01, verifica-se que o ferro divalente e o mangans divalente

precipitam como carbonato, em quase sua totalidade, em torno do pH 8,50. Para a

precipitao como hidrxidos, necessrio um pH em torno de 11,00.

Mikalakos et al. (1997) indicam um pH em torno de 7,50 para precipitao do ferro e

de 8,50 para precipitao do mangans, por processo oxidativo a base de cloro.

3.5. DANOS E TOXICIDADE REFERENTES OCORRNCIA DE FERRO E

MANGANS NA GUA

Alm dos problemas j citados, anteriormente, como conferir cor a elementos que

entram em contato com a gua com excesso de ferro e mangans, causar sabor e odor

desagradveis gua, interferncia em processos industriais, deposio e incrustao de

tubulaes, existem outros problemas de ordem sanitria, causados pela ocorrncia em

26

concentraes elevadas de ferro e mangans, nas guas de abastecimento, tais como (AWWA,

2011; WONG, 1984):

Poluio de unidades lineares (como sistemas de aduo, tubulaes de manobra

da estao de tratamento de gua e sistema de distribuio de gua tratada) e

unidades localizadas (como unidades de decantao, de filtrao e de reservao)

por proliferao de bactrias ferrugionas, como a Crenothrix, Leptothrix e

Gallionella (ATKINS E SINGH, 1982; ELLIS, 1929);

Deteriorao contnua de unidades industriais de abrandamento (WONG, 1984).

Vrios estudos afirmam no haver toxicidade relacionada presena de ferro na

gua, sendo as suas objees somente de ordem organolptica e operacional (SHARMA,

2001; CULP E CULP, 1974; ELLIS, 1929). Contudo, segundo Rozema (1998), o ferro e o

mangans constam da lista de metais essenciais que, quando em excesso, podem ser txicos,

tais como o cobalto, cobre, molibdnio, selnio e zinco.

Galvin (1996) afirmou que a ingesto de elevados nveis de ferro pode causar a

ruptura de vrios tecidos humanos, uma vez que, o ferro est presente no corpo humano na

hemoglobina, citocromos e vrias enzimas antioxidantes. Em adio, o consumo de gua com

elevados teores de mangans, a partir de 14,00 mg.L-1

, pode causar danos cerebrais.

Guilarte (2010), em um estudo com pessoas da terceira idade, identificou uma

correlao entre o os nveis de mangans no corpo e o desenvolvimento do Mal de Parkinson.

3.6. REMOO DE FERRO E MANGANS

O sucesso da remoo destes elementos qumicos de um sistema de abastecimento de

gua depende das caractersticas fsico-qumicas deste sistema. Nas caractersticas fsicas

incluem-se (AWWA, 2011):

Os sistemas de recalque e de transporte de fluido instalados;

As vazes operacionais;

A temperatura da gua.

27

Relativamente s caractersticas qumicas da gua devero considerar-se (AWWA,

2011):

O valor de pH;

As concentraes de ferro, mangans e sulfito de hidrognio;

As concentraes de oxignio presente na gua;

Presena de matria orgnica.

Por condicionalismos de ordem geogrfica e geolgica as formas sob as quais o ferro

ocorre na gua so as mais variadas (ver Quadro 01). Em princpio, por imposio da

legislao vigente, grandes quantidades de ferro no devero ocorrer nas guas de

abastecimento pblico.

QUADRO 01 Formas do ferro na gua

Forma Tipo Caracterstica visvel da gua

Ferrosa Fe 2+

Ferro dissolvido;

Ferro solvel. gua lmpida

Frrica 3+

Ferro oxidado sob a forma de xido ou

hidrxido;

Ferro precipitado;

Ferro insolvel.

gua com colorao vermelho-

alaranjada

Ferro na forma

orgnica

Ferrobactrias;

Quelatos de Ferro;

Associado a compostos orgnicos como os

cidos hmicos.

gua sem colorao significativa,

exceto quando associado com

compostos orgnicos (cor marrom)

Ferro Coloidal Sob a forma dispersa. gua sem colorao significativa

Fonte: AWWA, 2011; RICHTER E AZEVEDO NETO, 2007.

Segundo Di Bernardo e Dantas (2005), o mtodo mais utilizado, em saneamento

ambiental, para remoo de ferro e de mangans a oxidao em pH adequado, seja por

processo de aerao ou por oxidao qumica.

Existem vrias opes que podem ser utilizadas separadamente ou em conjunto, para

reduzir ou remover o ferro, bem como o mangans e o sulfito de hidrognio. Dependendo das

condies de aplicao, os mtodos convencionais existentes podem ser distribudos pelos

seguintes grupos (AWWA, 2011; WQA, 1983, CLEASBY, 1975):

Permuta inica;

Aerao seguida de filtrao;

Oxidao qumica seguida de filtrao;

28

Oxidao cataltica em meio filtrante.

3.6.1. Permuta Inica

A permuta inica consiste em uma troca estequiomtrica de ons de uma fase lquida

por ons de uma resina permutadora (substncia granular insolvel). As resinas de permuta

inica podem ser usadas em vrias aplicaes industriais, tais como: abrandamento de guas,

desmineralizao, aplicaes hidrometalrgicas, refinao do acar e separaes de produtos

biolgicos (COULSON E RICHARDSON, 1985).

Na Figura 02, est representado um esquema da estrutura de uma resina de permuta

inica constituda por uma matriz polimrica de estireno reticulado com divinilbenzeno

(DVB) e um grupo funcional do tipo cido (resina catinica).

FIGURA 02 Modelo de uma resina de permuta inica catinica

Fonte: Adaptado de CARBOTECNIA, 2014; RUTHVEN, 1984.

Na permuta inica, para remoo de ferro e mangans, quando os mesmos esto

presentes sob a forma inica (dissolvida), utilizada uma resina catinica forte (em ciclo

sdio), geralmente, as mesmas utilizadas em descalcificadores. No entanto, este mtodo

somente deve ser utilizado se as concentraes presentes forem reduzidas, com o sistema sem

contato com ar (para evitar formao de precipitados) e h a necessidade de se regenerar o

descalcificador antes que se atinja a exausto da capacidade de permuta inica do leito de

resinas instalado, bem como, se a gua afluente for clorada, a unidade de permuta inica

29

dever ser precedida de um filtro de carvo ativado, para evitar a contaminao das resinas de

troca inica (LAUS et al., 2006).

Existem dados de fabricantes que fixam o limite mximo de concentrao em 5,00

mg.L-1

de ferro dissolvido (ou de ferro + mangans) na gua a ser tratada para eficincia de

um sistema de permuta inica (WQA, 1983). Em adio, o custo destas resinas elevado, em

mdia U$ 1,61 / m3 de gua tratada (valor incremental), por ser um material sinttico. Sua

utilizao em um sistema de tratamento de gua de abastecimento, requer a implantao de

uma unidade de tratamento especfica, alm da estao de tratamento de gua convencional, e

de uma unidade especfica de tratamento do efluente gerado pela regenerao do material,

para sua disposio final, bem como, o controle operacional deve ser totalmente automatizado

e rigorosamente controlado (QUIMINET, 2014; RIANE, 2008).

Na Figura 03, apresentada a estrutura qumica de uma resina catinica utilizada

para remoo de ferro e mangans.

FIGURA 03 Estrutura qumica de uma resina catinica

Fonte: Adaptado de COULSON E RICHARDSON, 1985.

A quantidade de regenerante utilizada deve tambm ser calculada especificamente

para esta aplicao e a regenerao deve ser do tipo co-corrente (WQA, 1983).

O ferro e/ou mangans removidos desta forma obedecem seguinte reao qumica

(CLEASBY, 1975):

R2Fe + 2 NaCl 2RNa + FeCl2

e

R2Mn + 2 NaCl 2RNa + MnCl2

onde, R = resina catinica.

30

Existe ainda a possibilidade de utilizar resina catinica fraca ou carboxlica,

recorrendo a uma regenerao especial (LAUS et al., 2006).

Na Figura 04, apresentada uma planta de tratamento por permuta inica, para 13,00

L.s-1

.

FIGURA 04 Planta de tratamento por permuta inica

Fonte: PUROLITE, 2013.

3.6.2. Aerao seguida de Filtrao

A aerao um processo fsico que permite o contato da gua com o ar provocando a

precipitao do ferro e mangans dissolvidos (ou no caso do sulfito de hidrognio o

desprendimento de gases) (DI BERNARDO E DANTAS, 2005). o mtodo mais econmico

para tratar grandes volumes de gua, sendo, normalmente, seguido de filtrao.

A remoo de ferro e mangans por processos de aerao benfica, pois alm de

imprimir a oxidao destes elementos, auxilia na remoo de outras substncias volteis

deletrias presentes na gua (MORUZZI E REALI, 2012).

Segundo Di Bernardo e Dantas (2005), a aerao um processo de oxidao de

primeira ordem, no caso da remoo do ferro, e de segunda ordem, no caso da remoo do

mangans.

O pH da gua e a presena de matria orgnica, so fatores determinantes para o

sucesso da remoo destes metais por processo de aerao. O aumento do pH, mantendo-se os

outros parmetros constantes (temperatura, etc.) diretamente proporcional taxa de

oxidao do ferro solvel com oxignio molecular. A ocorrncia de matria orgnica

Tanques

com resina

Filtros de

C.A.G

Aplicao de

regenerador

Aplicao de

qumicos

Tanque de

equalizao

de efluentes

Tratamento de

efluentes

31

inversamente proporcional taxa de oxidao do ferro com oxignio, devido formao de

compostos complexados (AWWA, 2011; DI BERNARDO E DANTAS, 2005).

A converso de ferro e mangans solvel em precipitados tem influncia direta do

valor de pH da gua a ser tratada. Para a precipitao do ferro por aerao indicado um pH

da gua em torno de 7,00, j para a precipitao do mangans por este processo indicado

que a gua apresente um pH em torno de 9,00 (DI BERNARDO E DANTAS, 2005).

Para concentraes de ferro acima de 10,00 mg.L-1

e de mangans acima de 2,00

mg.L-1

recomendada a implantao de uma unidade sedimentadora (decantador primrio)

aps o processo de oxidao, anterior unidade de mistura rpida da estao de tratamento de

ciclo completo convencional (AWWA, 2011).

As reaes qumicas de remoo de ferro e de mangans por aerao so (HDR

ENGINEERING, 2001):

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 + 8CO2

e

2Mn(HCO3)2 + O2 2MnO2 + 4CO2 +2H2O

Os processos de aerao podem ser hidrulicos ou mecanizados, sendo que, qualquer

que seja o mtodo empregado, dever ser seguindo de filtrao. Entre os hidrulicos podem

ser utilizados aeradores do tipo cascata e bandejas. Entre os mecanizados podem ser utilizados

bocais aspersores, injetores de ar difuso e agitadores mecnicos (AWWA, 2011).

A aerao, seguida de filtrao, recomendada para guas com concentraes de

ferro acima de 5,00 mg.L-1

, pois uma soluo que no implica em custos com adio de

produtos qumicos para formar os precipitados, contudo, dever ser feito o controle do pH de

entrada no aerador, o que acarretar a introduo de uma unidade de correo de pH, com

adio de produtos qumicos, anterior ao processo de aerao (EL-NAGGAR, 2010; AWWA,

2003).

A unidade de aerao-filtrao consiste de uma unidade de correo de pH, uma

unidade de aerao hidrulica ou mecnica, um tanque de reteno (equalizador e

sedimentador) e filtros (Figura 05) (AWWA, 2003).

O oxignio da atmosfera reage com o ferro e o mangans presentes na gua e gera

sais insolveis de xidos de ferro e mangans. A velocidade desta reao funo do pH da

gua, sendo mais rpida em valores mais bsicos de pH, ou seja, podem ser necessrios

tempos de deteno de vrias horas, aps a aerao, para formao e sedimentao dos

32

precipitados, quando as concentraes dos metais so elevadas (DI BERNARDO E

DANTAS, 2005). Neste sentido, os filtros de presso de camada dupla, automatizados, so os

mais indicados para um sistema de aerao seguida de filtrao (AWWA, 2011).

FIGURA 05 Esquema de um sistema de aerao seguida de filtrao

Fonte: Adaptado AWWA, 2003.

Na Figura 06, apresentada a imagem de uma planta de tratamento por aerao-

filtrao.

FIGURA 06 Planta de tratamento por aerao hidrulica e filtros de presso

Fonte: ETA ENGENHARIA, 2014.

As desvantagens do processo de aerao-filtrao so: (1) o alto custo inicial de

implantao; (2) ampliao do tempo de tratamento da estao de tratamento de gua de 20

Aerador tipo

bandeja

Filtro de

C.A.G.

Filtro de

presso

33

minutos a 2 horas; (3) implementao de tempos adicionais de deteno e tratamento

complementar com oxidantes qumicos se a concentrao de mangans for superior a 1,00

mg.L-1

(EL-NAGGAR, 2010; AWWA, 2003).

3.6.3. Oxidao qumica seguida de filtrao

A oxidao qumica do ferro e/ou mangans dissolvidos efetuada atravs da injeo

de agentes oxidantes a base de oxignio molecular, cloro ou permanganato, tais como o

perxido de hidrognio (H2O4), o oznio (O3), o gs cloro (Cl2), o dixido de cloro (ClO2), o

hipoclorito de sdio (NaClO) e o permanganato de potssio (KMnO4) (BENEFIELD E

MORGAN, 1990; CLEASBY, 1975).

As reaes qumicas de remoo de ferro e de mangans por adio de agentes

oxidantes so (AWWA, 2011; BENEFIELD E MORGAN, 1990):

- Para o perxido de hidrognio (reao Fenton)

Fe2+

+ H2O2 Fe+3

+ HO- +

HO

Fe2+

+ HO Fe

+3 + HO

-

Fe+3

+ H2O2 Fe2+

+ HO2 + H

+

HO2 + Fe

3+ Fe

2+ + H

+ + O2

e

10Mn + 10H2O2 10MnO2 + H2O

10MnO2 + H2O 10H2O + 10MnO

- Para oznio

Fe+2

+ O3 FeO+2

+ O2

FeO+2

+ H2O Fe3+

+ HO +

HO

e

O3 + Mn2+

+ H2O O2 + MnO2 + 2H+

- Para gs cloro

2Fe2+

+ Cl2 + 6H2O 2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H

+

e

Mn2+

+ Cl2 + 2H2O MnO2 + 2Cl- + 4H

+

34

- Para o permanganato de potssio

3Fe2+

+ KMnO4 + 7H2 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H

+

e

3Mn2+

+ 2KMnO4 + 2H2O 5MnO2 + 2K+ + 4H

+

Os produtos so aplicados por injetor em linha atravs de uma bomba dosadora,

sendo a soluo posteriormente conduzida para um tanque de contato, sendo que, o tempo de

permanncia requerido neste ponto depende das caractersticas da gua e do oxidante

aplicado. Aps este tempo, a gua dever passar por processo de filtrao direta, com meios

filtrantes usuais ou especiais, ou ainda, combinados (CONNER, 2000).

Na Figura 07, apresentado um esquema de um sistema de oxidao qumica

seguida de filtrao direta e, na Figura 08, a imagem de uma planta de tratamento.

FIGURA 07 Esquema de um sistema de oxidao qumica e filtrao pressurizada

Fonte: NATURALTEC, 2015.

FIGURA 08 Planta de tratamento por oxidao qumica e filtros de presso

Fonte: NATURALTEC, 2015.

Gerao e aplicao de oxidante

Filtro de presso Decantador

35

As desvantagens do processo de oxidao qumica e filtrao so: (1) o alto custo

inicial de implantao e de operao para altas vazes; (2) ampliao do tempo de tratamento

da estao de tratamento de gua; (3) implementao de tempos adicionais de deteno e

tratamento complementar com utilizao de meios filtrantes especiais; (4) aumento no custo

de energia eltrica da estao, uma vez que, o sistema operar automatizado no caso de

utilizao de filtros pressurizados (EL-NAGGAR, 2010; AWWA, 2003).

3.6.4. Oxidao cataltica em meio filtrante

A catlise o aumento da velocidade de uma reao devido adio de uma

substncia (catalisador). Existem dois tipos de catlise, a saber: (1) a homognea, na qual o

catalisador se dissolve no meio em que ocorre a reao; (2) e heterognea que ocorre prximo

ou na superfcie entre duas fases, ou por intermdio de uma interface, como por exemplo,

atravs de adsoro dos materiais reagentes (MCNAUGHT E WILKINSON, 1997).

Na oxidao cataltica, o processo de filtrao, sobre presso e temperatura

controlada, propriamente dito, o agente empreendedor do processo de remoo, atravs da

ao adsorvente de meios filtrantes especficos (Figura 09) (CONNER, 2000).

Este mtodo convencional de oxidao cataltica heterognea em meio filtrante,

tambm conhecido por filtrao adsortiva, pode ocorrer de forma fsica e de forma qumica.

Na primeira, forma fsica, a adsoro reversvel, pois ocorre a formao de multicamadas no

meio adsorvente, j na segunda, forma qumica, h a ocorrncia de interaes inicas entre o

meio adsorvente e o adsorvato, formando monocamadas, sendo este processo denominado de

quimissoro (VITALI, 2008).

FIGURA 09 Exemplo de um gro de um material adsorvente

Fonte: adaptado de AlphaCarbo Industrial Ltda., 2014.

36

Um sistema de filtrao adsortiva se destaca dos outros mtodos convencionais,

apresentados anteriormente, para tratamento de guas de abastecimento, por: ser mais

compacto e ter um menor tempo de ciclo de tratamento; os meios filtrantes tm menor custo,

por exemplo, que uma resina utilizada em permuta inica; no necessita de uma unidade de

decantao prvia, como no caso da aerao e oxidao qumica; o sistema de automatizao

mais simplificado. Contudo, se assemelha aos processos anteriores por utilizar filtros com

meios filtrantes especficos que podem requerer regenerao e/ou reativao peridicas

(TEKERLEKOPOULOU e VAYENAS,2007; SHARMA, 2001; CONNER, 2000).

Na Figura 10, apresentada a imagem de uma planta de tratamento por oxidao

cataltica em meio filtrante.

FIGURA 10 Planta de tratamento por oxidao cataltica e filtros de presso

Fonte: CONTROLL MASTER, 2014.

Os meios filtrantes especficos mais utilizados so:

Manganite um dos materiais mais antigos para remoo de ferro, mangans

e/ou sulfito de hidrognio. O elevado estado de oxidao do mangans e o

oxignio disponvel do prprio meio filtrante (MnO[OH]) permitem a reao.

Neste tipo de filtros, a capacidade de oxidao deve ser periodicamente

restabelecida, quer atravs de lavagem contra corrente com gua (que contenha

uma concentrao razovel de O2), quer passando pelo filtro uma soluo de

hipoclorito de sdio, no sendo aconselhvel a sua aplicao em sistemas de

produo de vapor. Atualmente, ainda se encontram em utilizao este tipo de

materiais, comercialmente pode-se citar o Pyrolox

, sendo importados,

nomeadamente os do tipo Pyrolusite (MnO2) (CONNER, 2000).

37

Zelitas Sintticas Normalmente, designadas de Manganese Greensands,

algumas das formas de zelitas de slica gel e resina catinica poliesternica

importados podem ser utilizadas como camada para filtros de oxidao cataltica,

como a Green Sand Plus, que possui um preo elevado. Este tipo de material

regenerado com sulfato de mangans ou permanganato de potssio, contudo,

recentemente foi inserido no mercado zelitas a base de alumina que no

necessitam deste processo de regenerao (INVERSAND COMPANY, 2014;

ZEOCELL, 2014).

Dixido de Mangans Habitualmente, comercializados como Birm,

Aquamandix

, CLACK MTM

, entre outros, so meios filtrantes importados que

operam por oxidao cataltica, regenerveis como os descritos anteriormente, a

exceo do Birm

, que tambm pode ser utilizado em filtros a gravidade, contudo

no pode ser pr-oxidado com oxidantes a base de cloro, que provocam o

esgotamento do seu revestimento cataltico. A concentrao mnima de oxignio

dissolvido para estas aplicaes de cerca de 15,00% do valor do ferro total

dissolvido. Este tipo de produto no recomendado para a remoo de sulfito de

hidrognio da gua. De um modo geral, este tipo de material filtrante sensvel ao

valor de pH que dever situar-se prximo da neutralidade ou na zona levemente

alcalina. Para remoo de ferro, o pH ideal aproximadamente 7,50 sendo

prefervel no caso do mangans que seja 8,50 (CLACK CORPORATION, 2014;

ZEOCELL, 2014);

Carvo Ativado e Carvo Adsorvente o primeiro de origem vegetal e o segundo

de origem mineral, so materiais que tm sido utilizados como meios filtrantes

para remoo de ferro em baixas concentraes, at 1,50 mg.L-1

(MADEIRA,

2003). Sua capacidade adsortiva est associada alta porosidade destes materiais

(YARDIM et al., 2003). Possuem um baixo custo, quando comparados aos outros

meios filtrantes, necessitam de pr-oxidao e operam em filtros pressurizados

(STRELKO E MALIK, 2002);

Zelitas Naturais so minerais com estrutura tridimensional e altamente porosos

que tem capacidade de remoo de ons metlicos por possuir seletividade inica,

cadeia bem definida, estabilidade trmica e no necessitar de regenerao

(DIMIRKOU E DOULA, 2008; OLIVEIRA E RUBIO, 2007). Algumas das

zelitas naturais importadas e utilizadas no Brasil so a Controll M.F.374

,

38

KLINOPUR-Mn

e WATERCELL-ZF-0410

(CONTROLL MASTER, 2014;

CELTA BRASIL, 2014).

Dantas et al. (2011) verificaram que para guas que apresentem elevadas

concentraes de matria orgnica dissolvida, o ferro e o mangans complexados no so

removidos por um sistema de ciclo completo ou filtrao direta, mesmo com a adio de pr-

oxidao com cloro. Em adio, comprovaram que um sistema de coagulao com ph mais

cido, filtrao em areia e filtrao em carvo ativado granular seria mais eficiente na

remoo de ferro e mangans complexados com matria orgnica dissolvida, produzindo gua

com cor aparente inferior a 1 uH e turbidez inferior a 0,50 uT.

Babel e Kurniawan (2003) comprovaram a eficincia de utilizao de diversos

adsorventes de baixo custo, a base de Zelita natural, na remoo de metais pesados, em

comparao ao carvo ativado granular.

Taffarel e Rubio (2009), ao analisarem a capacidade adsortiva de Zelitas naturais,

verificaram que as Zelitas do tipo clinoptilotita e mordenita apresentam maior capacidade

para adsoro de mangans, j para remoo conjunta com ferro, a clinoptilotita e a phillipsita

so as mais predispostas.

Vistuba et al. (2015), em estudo comparativo de filtrao em camada nica com gua

decantada, verificaram que a Zelita natural Controll M.F.374 e o CAG Carbotrat-P so

eficientes na remoo de ferro e mangans.

As Zelitas naturais, quando modificadas por processos fsicos ou qumicos, podem

ampliar a sua predisposio de adsoro, como por exemplo, adsoro de compostos

nitrogenados, adequando assim seu uso para outros tipos de tratamento, como o tratamento de

efluentes industriais e de esgoto sanitrio (WANG E PENG, 2010).

O Quadro 02 apresenta um comparativo acerca das tcnicas apresentadas

anteriormente para remoo de ferro e mangans de guas de abastecimento.

QUADRO 02 Comparao entre as tcnicas convencionais de remoo de ferro e mangans

Processo Tempo Nvel

Tecnolgico Eficincia Custo

Regenerao e

condicionantes

Permuta inica(1)

Lento Alto Mdia Elevado Sim, mais de 3

Aerao Lento Baixo Baixa Baixo Sim, menos de 3

Oxidao qumica(1)

Rpido Alto Alta Moderado Sim, mais de 3

Oxidao(1)(2)

cataltica Rpido Mdio Alta Moderado Sim, menos de 3

Fonte: AWWA, 2011; MCGIVNEY E KAWAMURA, 2008; CONNER, 2000.

(1) meio filtrante com afinidade para processo adsortivo; (2) adsoro qumica (quimissoro) e fsica.

39

3.6.5. Outros processos de remoo de ferro e mangans

Como processos alternativos de remoo de ferro e mangans pode-se citar:

Filtrao Biolgica atravs de biossoro seletiva, utilizando mdias filtrantes

que contenham bactrias, fungos e/ou algas biossorventes, que promovem

processos de troca inica, complexao, adsoro, micro precipitao e interaes

eletrostticas (WANG E CHEN, 2009; VIJAYARAGHAVAN E YUN, 2008). As

desvantagens deste mtodo o longo perodo de tempo demandado para a

formao do biofilme, cerca de meses, e a hipersensibilidade dos biossorventes s

pequenas alteraes ambientais (TEKERLEKOPOULOU et al., 2008);

Filtrao em membranas uma tcnica nova no Brasil, para tratamento de gua

de abastecimento, que utilizam membranas constitudas de cermica ou material

polimrico, com diferentes nveis de porosidade, que operam como barreiras

seletivas, promovendo a reteno de partculas de difcil remoo. Para remoo

de fero e mangans, os processos de nanofiltrao e eletrodilise, que utilizam

membranas, so os mais eficientes. Necessitam de sistema de pr-oxidao e

tanque de deteno, bem como, de sistema de regenerao. Sua principal

desvantagem o alto custo de investimento e operao do sistema de filtrao por

membrana.

Em adio, o processo de quelao tem sido utilizado pelas companhias de

saneamento como uma alternativa para remoo de ferro e mangans. Este processo consiste

na adio de um quelante gua filtrada (SANEPAR, 2013b).

FIGURA 11 Exemplo da estrutura de um quelante

Fonte: WIKIPEDIA, 2015.

40

O quelante um composto qumico formado por um on metlico ligado uma

estrutura heterocclica de compostos orgnicos como aminocidos, peptdeos ou

polissacardeos (PUROLITE, 2009) (Figura 11).

O processo consiste no encapsulamento dos ons metlicos de interesse pelo

quelante. A estrutura formada aps a quelao chamada ncleo quelado, expresso essa

derivada da palavra grega khele, significando garra em forma de pina. No tratamento de gua

para abastecimento, os quelantes/complexantes mais utilizados so: cido Diaminatetractico

EDTA, cido ascrbico, cido ctrico e polifosfatos (SANEPAR, 2013b).

A principal desvantagem desta tcnica a deposio futura destes ncleos quelados

na rede de distribuio, causando sua incrustao, ou em unidades de reservao, causando

diminuio do volume til, bem como, em processos de manobra da rede, manutenes ou

adio de outros produtos qumicos, estes ncleos quelados podem ser rompidos e liberarem o

on metlico capturado (AWWA, 2011).

A Figura 12 mostra um exemplo de tubulao incrustada aps contnuo processo de

quelao e reservatrio com desprendimento de material quelado depositado.

FIGURA 12 Exemplo de tubulao incrustada e reservatrio com material quelado depositado

Fonte: a autora.

3.7. FILTRAO ADSORTIVA UTILIZANDO ZELITA NATURAL

Dentre os mtodos convencionais e alternativos para remoo de ferro e mangans,

apresentados anteriormente, o que se apresenta como mais simplificado tecnicamente para o

tratamento de guas de abastecimento a filtrao adsortiva utilizando Zelita natural

(INGLEZAKIS E ZORPAS, 2014).

A Zelita natural um mineral, com estrutura tridimensional de tetraedros de SiO4 e

AlO4, presente em certas rochas vulcnicas, com interesse recente sob a tica de prospeco

(INGLEZAKIS E ZORPAS, 2014; MONTE E RESENDE, 2005). A ocorrncia de ctions de

metais alcalinos e alcalinos terrosos, em associao ao alumnio trivalente em sua

41

composio, conferem Zelita natural a propriedade de troca inica (Figura 13) (DAL

BOSCO et al., 2004).

FIGURA 13 Representao esquemtica de troca inica

Fonte: MONTE E RESENDE, 2005.

As suas propriedades fsico-qumicas, tais como, cristalinidade, estabilidade trmica,

cadeia bem definida, alto grau de hidratao, baixa densidade, alta porosidade e seletividade

inica, fazem com que este material tem uma excelente capacidade de remoo de ons

metlicos, tais como: ons de clcio e magnsio, para abrandamento de guas, ons de ferro,

mangans e enxofre, ons de cromo, cdmio e chumbo (SOLACHE-ROS et al., 2010;

DIMIRKOU E DOULA, 2008; FONSECA et al., 2006; CORTES-MARTINEZ et al., 2004;

BARBEL E KURNIAWAN, 2003).

Destacam-se, nestes casos, as espcies clinoptilolita, considerada a mais abundante,

phillipsita, cabazita e modernita, pela possibilidade de reutilizao sem perca da capacidade

de adsoro, por ser facilmente ativada ou ampliada sua capacidade de adsoro (catlise) por

oxidantes a base de cloro, sem sofrer desagregamento de camadas (INGLEZAKIS E

ZORPAS, 2014; WANG E PENG, 2010; TAFFAREL E RUBIO, 2009).

Os principais produtores de Zelitas naturais so em primeiro lugar a China, em

segundo lugar o Japo e a Coria e em terceiro lugar Cuba, sendo que tambm h ocorrncia

de jazidas em outros pases como a Turquia, frica do Sul e Canad. No Brasil, a prospeco

de Zelitas ainda encontra-se em fase de levantamento, sendo indicadas como regies

promissoras a Formao Corda na Bacia do Parnaba, no Maranho e Tocantins, a Formao

Andantina na Bacia do Paran, em So Paulo, e a Formao Botucatu na Bacia do Paran

(CELTA BRASIL, 2014; INGLEZAKIS E ZORPAS, 2014; TAFFAREL E RUBIO, 2009).

Dentre as espcies de Zelitas naturais citadas, a clinoptilotita e a phillipsita (Figura

14) so as mais indicadas para tratamento de gua que contenham ferro e mangans, por ter

maior predisposio de troca inica com ons destes metais e suas formas oxidadas

42

(INGLEZAKIS E ZORPAS, 2014), sendo que a clinoptilotita apresenta melhor eficincia

para elevadas concentraes de mangans (BARLOKOV E ILAVSK, 2010; DOULA,

2006; CABRERA et al., 2005; ERDEM et al., 2004).

FIGURA 14 Representao esquemtica do arranjo da estrutura qumica da clinoptilotita

Fonte: MONTE E RESENDE, 2005.

O meio filtrante comercial, de matriz zeoltica do tipo clinoptilotita, denominado

WATERCELL-ZF-0410

, apresentam densidade em torno de 0,98 g.cm-3

e granulometria de

0,40 a 1,00 mm (CELTA BRASIL, 2014), mais fino do que o carvo antracito utilizado como

material de segunda camada em filtros rpidos descendentes a gravidade, a saber,

granulometria de 0,80 a 1,10 mm (CARBOCRI, 2014).

Uma proposta de configurao menos complexa e eficiente para remoo de ferro e

mangans de guas de abastecimento seria a simplificao do mtodo convencional mais

vantajoso, a saber, oxidao cataltica em meio filtrante, utilizando um material adsorvente, a

saber, a Zelita natural, em uma unidade convencional de filtrao, a saber, um filtro rpido

descendente a gravidade de dupla camada, com troca somente do material de segunda camada

sem alteraes significativas de sua tipologia construtiva e operacional (carreira de filtrao,

carga hidrulica, processo de lavagem, oxidao a base de cloro etc.).

Diante do exposto, a tcnica selecionada para a pesquisa de remoo de ferro e

mangans foi a de oxidao cataltica em meio filtrante, visando adaptabilidade da tcnica

de filtrao adsortiva filtrao convencional.

Como material adsorvente foi selecionado a Zelita WATERCELL-ZF-0410

,

clinoptilotita proveniente de Cuba, fornecido pela empresa Indstria Celta Brasil Ltda.,

localizada em Cotia SP, por possuir caractersticas fsicas semelhantes do carvo antracito.

A composio qumica e as caractersticas fsicas desta Zelita so apresentadas no

Quadro 03, a seguir.

Legenda:

Em azul Silcio ou Alumnio;

Em amarelo Oxignio;

Em vermelho e laranja ctions.

43

QUADRO 03 Composio qumica e caractersticas fsicas da Zelita WATERCELL-ZF-0410

Composio Qumica (%) Caractersticas Fsicas

SiO2 62,36 Ponto de Fuso 1300 C

Al2O3 13,14 Massa especfica aparente 0,98 g.cm-3

Fe2O3 1,63 pH 7,60

CaO 2,72 Capacidade de troca catinica (CTC) 1,57 meq.g-1

MgO 1,22 Granulometria 0,40 a 1,00 mm

Na2O 3,99 Coeficiente de desuniformidade 1,45

K2O 1,20 Altura do meio filtrante 0,80 m

TiO2 0,45 Expanso na retrolavagem de 20% a 30%

FeO 0,81 pH aconselhvel para remoo de Fe 6,80

CaO 5,78 pH aconselhvel para remoo de Mn 8,50

P2O5 0,09 Oxidao recomendada de cloro 1,00 mg.L-1

a 2,00 mg.L-1

H2O 3,44 Custo R$ 15,00 / kg

Fonte: CELTA BRASIL, 2014; CABRERA et al., 2005.

Em adio, o fabricante da Zelita WATERCELL-ZF-0410 indica que a vida til

mdia deste material, nas condies operacionais recomendadas, seriam de 6 anos,

considerando a proporo de 100 kg de material para cada 1 m3.h

-1 de vazo, bem como, a

eficincia deste material seria para concentraes mximas do ferro na gua de 6,00 mg.L-1

e

de mangans de 2 mg.L-1

.

44

4. MATERIAIS E MTODOS

As etapas de pesquisa executadas foram:

Caracterizao morfolgica e elementar do material adsorvente e o seu

comparativo, a saber, o carvo antracito, atravs de microscopia eletrnica de

varredura por efeito de campo (MEV-FEG) e de espectroscopia de energia

dispersiva (EDS);

Caracterizao fsica do material adsorvente e o seu comparativo, a saber, o

carvo antracito, atravs de ensaios de granulometria, massa especfica, tamanho

efetivo e coeficiente de desuniformidade;

Determinao da composio de lixiviados gerados pelo material adsorvente e o

seu comparativo, a saber, o carvo antracito;

Ensaios de filtrao descendente adsortiva em escala piloto, com o adsorvente em

estudo (Zelita WATERCEL-ZF-0410

), para determinao de parmetros

operacionais e da eficincia de remoo de ferro e mangans.

A seguir, so apresentados os materiais e mtodos utilizados no desenvolvimento

deste trabalho.

4.1. CARACTERIZAO MORFOLGICA E ELEMENTAR

Na produo ou anlise de materiais, necessria a avaliao de sua microestrutura, a

fim de identificar as correlaes microestrutura defeitos propriedades do material, bem

como, predizer as propriedades do material quando estas correlaes so estabelecidas. Uma

das tcnicas mais utilizadas para este tipo de anlise a Microscopia Eletrnica de Varredura

MEV (GOLDESTEIN et al., 1992).

Na MEV, a amostra a ser analisada irradiada por um fino feixe de eltrons. Como

resultado da interao deste feixe de eltrons com a superfcie da amostra, uma srie de

radiaes so emitidas (eltrons secundrios, eltrons retroespalhados, eltrons Auger, ftons,

raios X caractersticos, etc.). Estas radiaes so captadas e fornecem informaes

caractersticas sobre a amostra, tais como: topografia da superfcie, composio,

cristalografia, etc. (GOLDESTEIN et al., 1992). Uma das opes de MEV a Microscopia de

45

Alta Resoluo (> 10.000X) com emprego da varredura por efeito de campo (field emission

electron gun FEG).

A deteco dos raios X emitidos pela amostra pode ser realizada pela medida de sua

energia dispersiva (energy dispersive spectroscopy EDS), para identificao da composio

qumica da amostra. Na EDS, considera-se que acima de 10% em peso um elemento esteja

presente em grande quantidade, entre 1 e 10% em pequena quantidade e menor que 1%

apenas traos (DEDAVID et al., 2007).

A caracterizao por MEV-FEG foi realizada em um microscpio eletrnico de alta

resoluo com uma configurao com detector de micro anlise EDS, da marca TESCAN,

modelo MIRA3. O recobrimento homognio das amostras foi efetuado com uma camada fina

de ouro-paldio (Au/Pd), em mdia de 8 nm, pelo mtodo de Sputtering, por um tempo de 19

segundos, em um metalizador a plasma da marca QUORUM, modelo Polaron SC7620, no

Complexo de Laboratrios Multiusurios C-Labmu, da Universidade Estadual de Ponta

Grossa UEPG. O mtodo utilizado para a caracterizao morfolgica e elementar dos

materiais em anlise foi o descrito na ASTM E1382-97 (ASTM, 1997). Todos os

procedimentos de caracterizao morfolgica elementar foram realizados em triplicata, com

todos os equipamentos previamente calibrados.

Na Figura 15, apresentado, esquematicamente, os componentes do microscpio

eletrnico de alta resoluo utilizado.

FIGURA 15 Representao esquemtica do microscpio microeletrnico de varredura de alta resoluo

Fonte: Adaptado de GOLDESTEIN et al., 1992.

46

Nas Figuras 16 a 17, so apresentadas as imagens dos equipamentos utilizados

supramencionados e dos ensaios.

FIGURA 16 Microscpio eletrnico de varredura de alta resoluo

Fonte: SHIMADZU, 2015; a autora.

FIGURA 17 Metalizao das amostras

Fonte: a autora.

4.2. CARACTERIZAO FSICA

A determinao das caractersticas fsicas granulomtricas do meio filtrante

indispensvel para a seleo de materiais e elaborao de projetos de filtros para tratamento

de gua.

Assim, foram realizados ensaios de caracterizao fsica do material adsorvente, a

saber, a Zelita WATERCELL-ZF-0410

, que foi fornecida pela empresa Indstrias Celta

Brasil Ltda., situada em Cotia SP, e de seu comparativo o carvo antracito utilizado na

ETA-Iap.

Os ensaios de caracterizao fsica foram realizados no Laboratrio de Mecnica dos

Solos da Universidade Estadual de Ponta Grossa UEPG, segundo os procedimentos

descritos nas normas brasileiras da Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT, a

saber: NBR-7.181/1994 Ensaio de Granulometria; NBR-14.234/1998 Ensaio de

Determinao de massa especfica, tamanho efetivo e coeficiente de desuniformidade (ABNT,

47

1998, 1994). A granulometria utilizada do material adsorvente para os ensaios foi de 0,4 1,0

mm.

Como se tratavam de amostras deformadas e secas, foram utilizados 2,00 kg de

amostra para cada ensaio. Inicialmente, foi efetuado o quarteamento das amostras at a

obteno da amostra representativa de 125,00 g de massa seca. Na Figura 18, apresentada a

sequncia do processo de quarteamento.

FIGURA 18 Quarteamento das amostras

Fonte: a autora.

Para o peneiramento foram utilizadas as peneiras da srie de Tyler #14, #28, #48,

#100 e #200, onde a peneira de maior abertura permitia a passagem 100% dos gros da

amostra e as demais aberturas foram equiespaadas seguindo uma progresso geomtrica,

com a peneira de menor abertura com dimenso imediatamente inferior ao tamanho

estipulado da menor partcula.

O tempo de peneiramento foi de 10 minutos para cada ensaio. Os gros retidos em

cada peneira foram recolhidos e pesados. Para a pesagem foi utilizada uma balana semi-

analtica com preciso de 0,01 g.

48

Todos os procedimentos de caracterizao fsica foram realizados em triplicata, com

calibrao prvia de todos os equipamentos utilizados. A Figura 19 apresenta o processo de

peneiramento e pesagem.

FIGURA 19 Peneiramento das amostras

Fonte: a autora.

Foram calculadas, em seguida, as porcentagens acumuladas retidas em cada peneira e

no prato de fundo para efetuar o traado da curva granulomtrica do material em escala semi-

logartmica. Para o clculo das porcentagens foi utilizada a equao (1) (NOGUEIRA, 2005):

100#

#

#

iS

iS

irM

MP (1)

Onde,

irP # = porcentagem retida na peneira i ou no prato de fundo [%]

iSM # = massa de slidos retida na peneira i ou no prato de fundo [g]

iSM # = somatrio das massas dos slidos retidos em cada peneira e no prato de fundo [g]

carvo

antracito ZF-0410

49

Da curva de granulometria, foram obtidos os tamanhos efetivos D10, D30 e D60 de

interesse para anlise de materiais granulares para compor meios filtrantes.

O coeficiente de desuniformidade dos materiais analisados foi calculado a partir da

equao (2) (NOGUEIRA, 2005):

1060 DDCD (2)

Onde,

DC = coeficiente de desuniformidade

60D = dimetro abaixo do qual de situam 60% em peso das partculas [mm]

10D = tamanho efetivo equivalente a 10% do material passante [mm]

O coeficiente de curvatura foi calculado utilizando a equao (3), a seguir

(NOGUEIRA, 2005):

6010

2

30

DD

DCC

(3)

Onde,

CC = coeficiente de curvatura

30D = dimetro abaixo do qual de situam 30% em peso das partculas [mm]

A massa especfica foi obtida a partir da equao (4), a seguir (NOGUEIRA, 2005):

VMT (4)

Onde,

= massa especfica seca [g.cm-3]

TM = massa total da amostra [g]

50

V = volume total da amostra [cm3]

Na Tabela 01, so apresentadas as caractersticas fsicas e operacionais fornecidas

pelo fabricante acerca do carvo antracito.

TABELA 01 Caractersticas fsicas e operacionais do carvo antracito, segundo o fabricante

Parmetro Caracterstica

Granulometria [mm] 0,80 a 1,10

Tamanho efetivo [mm] 1,00

Coeficiente de desuniformidade 1,40

Tamanho do gro menor [mm] 0,71

Tamanho do gro maior [mm] 2,83

Coeficiente de esfericidade 0,65

Porosidade [%] 45 a 50

Colorao Cinza escuro

Forma Granular

Densidade aparente [g.cm-3

] 0,85

Ponto de fuso [C] 3.500

Dureza [M