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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
INSTITUTO POLITÉCNICO - CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
SANEAMENTO BÁSICO
CARVÃO ATIVADO
Uso no tratamento de água
Geraldo da Conceição Marques Junior
Belo Horizonte
Maio de 2010
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Geraldo da Conceição Marques Junior
CARVÃO ATIVADO
Uso no tratamento de água
Trabalho apresentado na disciplina
de Saneamento Básico do curso de
Engenharia Civil da Pontifícia
Universidade Católica de Minas
Gerais.
Orientador: Geraldo Tadeu Rezende
Belo Horizonte
Maio de 2010
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SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS.......................................................................................................................... 5
INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 6
CARVÃO ATIVADO ......................................................................................................................... 7
Propriedades Físicas ................................................................................................................ 10
Temperatura da água e o pH................................................................................................... 11
Tempo de Exposição ............................................................................................................... 11
Contaminantes Não Removidos Pelo Processo ...................................................................... 11
O Problema das bactérias ....................................................................................................... 12
PROCESSO DE FILTRAGEM DE CARBONO ATIVADO .........................Erro! Indicador não definido.
Seleção do Filtro ...................................................................................................................... 22
APLICAÇÕES DO CARVÃO ATIVADO .................................................Erro! Indicador não definido.
Tratamento de água .....................................................................Erro! Indicador não definido.
Tratamento de ar .........................................................................Erro! Indicador não definido.
Resíduos industriais ......................................................................Erro! Indicador não definido.
Indústria farmacêutica .................................................................Erro! Indicador não definido.
Indústria química ..........................................................................Erro! Indicador não definido.
Adsorção de gases ........................................................................Erro! Indicador não definido.
Catálise .........................................................................................Erro! Indicador não definido.
Tratamento de efluentes .............................................................Erro! Indicador não definido.
Indústria alimentícia .....................................................................Erro! Indicador não definido.
QUALIDADE DA ÁGUA ......................................................................Erro! Indicador não definido.
Potabilidade .................................................................................Erro! Indicador não definido.
Padrões de potabilidade ..............................................................Erro! Indicador não definido.
Parâmetros de potabilidade da água ...........................................Erro! Indicador não definido.
Parâmetros físicos ........................................................................Erro! Indicador não definido.
Parâmetros químicos ...................................................................Erro! Indicador não definido.
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Parâmetros biológicos ..................................................................Erro! Indicador não definido.
Portaria ministerial .......................................................................Erro! Indicador não definido.
CONCLUSÃO ................................................................................................................................ 24
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 25
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Carvão Ativado .............................................................................................................. 7
Figura 2 - Carvão Comum x Carvão Ativado .................................................................................. 9
Figura 3 – Processo de filtragem ................................................................................................. 17
Figura 4 - Filtro de Carvão Ativado .............................................................................................. 21
Figura 5 - Uso de Carvão Ativado na ETA .................................................................................... 22
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INTRODUÇÃO
O carvão ativado cresceu muito após a Primeira Guerra Mundial, onde
o mesmo foi usado contra gases tóxicos. Até o final da guerra, pesquisadores
desenvolveram importantes aplicações para o carvão ativo, tais como
recuperação de solventes, extração de benzeno de fabricação de gases e
eliminação de odor. Atualmente, o uso do carvão ativado cresceu muito.
Para que um determinado problema de odor e sabor em águas de
abastecimento possa ser solucionado ou, pelo menos, minimizado, é
fundamental que o mesmo seja estudado de modo a permitir que as suas
causas possam ser identificadas e, consequentemente, haja condições de
serem definidas as melhores alternativas técnicas para a sua solução.
dois fatores foram os grandes responsáveis pelo aumento dos
problemas associados a odor e sabor em águas de abastecimento. O primeiro
deles foi a adoção do cloro como agente desinfetante e oxidante no começo do
século como parte integrante do processo de tratamento de água. O segundo
foi o rápido avanço do crescimento da indústria química após a Primeira
Grande Guerra Mundial, o que aumentou os problemas de poluição em corpos
d’água pelo fato de inúmeros segmentos industriais simplesmente lançarem
seus efluentes sem qualquer tratamento prévio.
Tais fatos deram origem aos problemas de odor e sabor ocasionados
pela presença de cloro livre (HOCL e OCL-) em excesso em águas de
abastecimento, odor e sabor ocasionados pela presença de compostos
orgânicos sintéticos lançados em corpos d’água resultantes do lançamento de
efluentes industriais ou, finalmente, pela reação do desinfetante, no caso o
cloro, com estes mesmos compostos podendo acentuar a gravidade do
problema (geração de clorofenóis, por exemplo)
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CARVÃO ATIVADO
O carvão ativado é uma substância carbonácia inerte, obtido de
sustâncias com alto teor de carbono e submetido a tratamento especial para
criar poros, sendo considerado o mais econômico agente de filtração devido à
suas propriedades adsorventes. Pode remover diversas substâncias nocivas da
água como o cloro livre (HOCL e OCL-) em excesso em águas de
abastecimento, odor e sabor ocasionados pela presença de compostos
orgânicos sintéticos lançados em corpos d’água e resultantes do lançamento
de efluentes industriais ou ainda, pela reação do desinfetante, no caso o cloro,
com estes mesmos compostos acentuando a gravidade do problema (geração
de clorofenóis, por exemplo).
Figura 1 - Carvão Ativado
Fonte: www.madecarbo.com.br/carvao.php
O carvão ativado possui um papel fundamental na purificação de
águas, seja para fins potáveis ou industriais. Elimina cor, odor, mau gosto e
remove substâncias orgânicas dissolvidas através do mecanismo de adsorção.
Além disso, o carvão ativado remove compostos orgânicos, fenólicos e
substâncias que diminuem a qualidade da água, como pesticidas,
micropoluentes, podendo atuar como barreira a bactérias e vírus. Pode
também ser utilizados no pré-tratamento da água utilizada nas indústrias de
alimentos, bebidas, farmacêuticas e na osmose reversa.
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Características do carvão ativado
O carvão ativado trabalha atraindo e mantendo determinadas
substâncias químicas enquanto a água passa por ele. Carvão ativado é um
material altamente poroso e, portanto, tem uma área superficial que varia de 10
à 15 m²/g. Durante a ativação a área superficial aumenta com a oxidação dos
átomos de carbono, podendo o carvão apresentar área superficial superior a
800 m2/g, após ativação.
As matérias-primas utilizadas para obtenção do carvão ativado são
quase exclusivamente de origem vegetal e possuem alto poder de carbono, tais
como:
Casca de coco (produzem um carvão ativado com poros de
menor diâmetro);
Carvão mineral (antracito, betuminoso e lignito - extraídos de
extensas jazidas subterrâneas, resultado de camadas de
matéria orgânica enterrada em eras anteriores);
Madeira de alta e baixa densidade (pinus - produzem um carvão
ativado muito poroso, acácia etc);
Turfa;
Resíduos de petróleo;
Ossos de animais;
Resíduos agroindustriais;
Açúcar;
Caroço de azeitona;
Casca de noz;
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Caroço de pêssego, entre outros.
Dependendo de sua origem, o carvão (mesmo o ativado) pode conter
substâncias nocivas, principalmente fosfatos. Por esse motivo é recomendável
sua imersão antecipada (2 a 3 semanas) em água limpa, trocada
freqüentemente, antes de sua colocação nos filtros.
Figura 2 - Carvão Comum x Carvão Ativado
Fonte: http://www.tratamentodeagua.com.br/R10/Biblioteca_Detalhe.aspx?codigo=838
Abaixo estão descritas as capacidades de adsorção do carvão ativado
em relação às diversas substâncias:
Alta à Muito Boa: Antimônio, Arsênico, Bismuto, Branqueadores,
Cloraminas, Cloretos, Cloro, Cromo, Corantes, Ouro, Peróxido de
Hidrogênio, Inseticidas, Monocloramina, Odores, Pesticidas, Fenóis,
Tanino, Tri-halometanos, Compostos orgânicos (aromáticos, éteres,
cetonas, glicóis, halogenados, esteres, aldeídos, aminas), Gases em
geral.
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Boa à Moderada: Ácido Acético, Cobalto, Detergentes, Sulfeto de
Hidrogênio, Mercúrio, Ozônio, Permanganato de Potássio, Prata, Sabão,
Solventes, Vinagre, Zircônio.
Fraca: Cobre (complexos), Ferro (Fe3+), Chumbo, Níquel, Titânio,
Vanádio.
Baixa a Nenhuma: Amônia, Bário, Berilo, Cádmio, Dióxido de Carbono,
Cobre, Ferro (Fe2+), Manganês, Molibdênio, Nitratos, Selênio,
Tungstênio, Zinco.
O processo de adsorção depende dos seguintes fatores:
1) as propriedades físicas da Carvão Ativado, como a distribuição de
tamanho dos poros e a superfície;
2) a natureza química da fonte de carbono, ou a quantidade de
oxigênio e o hidrogênio a ele associados;
3) composição química e concentração do contaminante;
4) a temperatura e o pH da água;
5) o fluxo ou tempo de exposição da água ao carvão ativado.
Propriedades Físicas
Forças de atração física ou adsorção de contaminantes para as
paredes dos poros é o processo de filtração mais importante do carvão ativado.
A quantidade e distribuição de poros desempenham papéis-chave na
determinação de quão bem os contaminantes são filtrados. A melhor filtragem
ocorre quando os poros são grandes o suficiente para admitir que a molécula
de contaminantes passe. Contaminantes de tamanhos diferentes são atraídos
de forma diferente, dependendo do tamanho dos poros do filtro. Em geral,
filtros de carvão ativado são mais eficazes na remoção de contaminantes, que
têm moléculas relativamente grandes. O tipo de material de carbono e seu
método de ativação irá afetar os tipos de contaminantes que são absorvidos,
devido à influência da matéria-prima.
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Temperatura da água e o pH
Adsorção geralmente aumenta com o pH e a diminuição da
temperatura. As reações químicas e as formas dos produtos químicos estão
intimamente relacionados ao pH e temperatura. Quando o pH e temperatura
são reduzidos muitos produtos químicos e orgânicos são em geral, mais
adsorvíveis.
Tempo de exposição
O processo de adsorção é também influenciado pela quantidade de
tempo que o carvao ativado está em contato com o contaminante na água. O
aumento do tempo de contato permite que maiores quantidades de
contaminante sejam removidos da água. O tempo de Contato é melhorado
através do aumento da quantidade de Carvão Ativado no filtro, reduzindo a
taxa de fluxo de água através do mesmo.
Contaminantes não removidos pelo processo
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Semelhante a outros tipos de tratamento de água, a filtração por carvão
ativado é eficaz para alguns contaminantes. Desta forma, filtração não remove
micróbios, sódio, nitratos e fluoretos. Chumbo e outros metais pesados são
removidos somente por um tipo muito específico de filtro de carvao ativado.
O problema das bactérias
É comum com o correr do uso o carvão ativo ser contaminado por
microorganismos que por ventura estejam presentes na água a tratar. Assim
sendo, a maneira ideal de 'regenerar' o carvão é através de injeção de vapor.
Nestes casos o filtro é fornecido com uma válvula especial para tanto e o
revestimento deverá ser compatível com a alta temperatura do vapor.
Processo de Fabricação do Carvão Ativado
A fonte de carbono-prima é aquecida lentamente na ausência de ar
para produzir um material de alto carbono. O carbono é ativado pela passagem
de gases oxidantes através do material a temperaturas extremamente altas. O
processo de ativação produz os poros que resultam em tais propriedades de
alta adsorção.
Reatores
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Operando a uma temperatura constante de 1.200 graus centigrados a
fonte principal para obter a performance do carvão ativado através de jatos de
vapor com baixo teor de oxigênio na matéria prima. Rigorosamente controlado
tendo como objetivo não ocorrer a queima total da casca do dendê, mantendo
assim sua porosidade, proporcionando ao produto qualidade e performance
para suas devidas aplicações.
Operando em circuito fechado, dando ao produto maior poder de
adsorção aumentando sua capacidade em suas devidas aplicações
Caldeiras
Injetando vapor nos reatores garantindo uniformidade e pressão
adequada
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Esteira de Resfriamento
Após a descarga do forno é então levada a esta esteira de
resfriamento.
Moinho
Na seqüência é encaminhada para o setor de beneficiamento,
conforme solicitação do cliente, para então a separação granulometrica
desejada.
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Pode-se realizar analises do produto, verificando se sua porosidade
está ou não em condições de saturação
Silos de Armazenagem
Dispomos de silos para melhor armazenar nossos produtos antes de
embalar, deixando-os completamente protegidos
Embalagem:
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Sacos de Politileno Interno e Sacos de Ráfia Externo, hermeticamente
fechados.
Filtro de Carvão Ativado
O Filtro de Carvão Ativado é um equipamento responsável pela
remoção de cloro livre e de matéria orgânica na água, evitando a oxidação das
resinas de troca iônica utilizadas no tratamento da água e garantindo que a
mesma seja incolor e insípida.
O filtro é constituído por um vaso metálico à pressão com uma camada
de carvão ativado, disposto internamente sobre um fundo falso, possuindo
escotilha de inspeção, quadro de manobras de válvulas, manômetro e carga
filtrante padrão, constituída por camadas de quartzo de rio, que retém materiais
particulados.
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Figura – esquema do filtro
Vantagens de uso
1) Remove eficientemente o cloro livre da água, eliminando o sabor
desagradável;
2) Adsorve os possíveis traços de detergentes e substâncias oleosas
ocasionadas por vazamentos de bombas e outros equipamentos;
3) Adsorve os elementos corantes, que provocam a turbidez da água
como ácidos húmicos e outras matérias corantes;
4) Remove os ozonidos e os traços fenólicos (gosto fenólico), que
transmitem à água e posteriormente às bebidas, gostos e odores
desagradáveis.
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O tempo de residência, ou seja, o tempo de contato da água com o
carvão ativo é um fator de grande importância na adsorção de impurezas. A
grosso modo calcula-se pela fórmula:
Tc = V/Q
Onde:
Tc = tempo de contato (em minutos);
V = volume de carvão ativo (em m³);
Q = vazão de água (em m³/minutos)
O tempo de contato deve estar sempre entre 3 a 5 minutos.
Outro fator de importância é a altura do manto de carvão ativo que se
relaciona com o tempo de contato. Este manto nunca deve ser inferior a 600
mm.
Taxas de percolação superficiais e volumétricas também são
importantes para o bom funcionamento de um filtro de carvão ativo.
A taxa superficial se calcula pela fórmula:
Txs = Q/S
E a taxa volumétrica:
Txv=Q/V
Onde:
Txs = taxa superficial (em m³/m²/hora);
Txv = taxa volumétrica (em m³/m³/hora);
Q = vazão de água (em m³/hora);
S = área do vaso (em m²)
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V= volume de carvão ativo (em m³)
As taxas máximas recomendadas, levando-se em consideração o
tempo de contato e altura do manto situa-se em torno de 15 a 16 m³/m²/hora.
Taxas acima destas podem ocasionar a quebra dos grânulos do carvão ativo
prejudicando a adsorção devido ao atrito provocado pela água em alta
velocidade
A água de processo quando vem de um reservatório ou de uma
estação de tratamento, contém, dentre outras impurezas, um excesso de cloro
livre, que é adicionado na mesma como agente esterilizante. No entanto este
cloro modifica o gosto da água, prejudicando as bebidas produzidas nas
fábricas de refrigerantes, cervejas, sucos naturais e artificiais, indústrias
alimentícias e outras, além de contaminar as resinas de troca iônica quando a
água deve passar por um processo de desmineralização ou abrandamento.
Para tanto deve-se remover todo o cloro e materiais orgânicos contaminantes,
para que se tenha uma água pura e inodora, com um filtro de carvão ativo.
Processo de purificação
A água deverá ter passado por um tratamento adequado (filtração) e
estar livre de matérias em suspensão, pois caso contrário, estas impurezas
podem obstruir os poros do carvão ativo, reduzindo a sua eficiência.
O filtro de carvão-ativo recebe a água em sua parte superior, onde a
mesma se distribui pelo manto filtrante através de um defletor. Na parte inferior
do filtro encontra-se um coletor/distribuidor de água provido de crepinas de
discos plásticos sobrepostos, que têm a finalidade de coletar a água já
purificada e distribuir uniformemente a água de retrolavagem, bem como
impedir a fuga do carvão ativo ou mesmo de partículas pequenas. O
revestimento interno destes filtros é muito importante, visto que o cloro residual
existente na água ao ser adsorvido pelo carvão ativo libera ácido clorídrico que
ataca violentamente as paredes do vaso, caso o revestimento não seja
adequado.
Tempo de saturação
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O tempo de saturação do carvão ativo depende da quantidade de
substâncias contaminantes, ou seja, o teor de impurezas e cloro livre na água,
que varia de local para local. Para tanto, aconselha-se fazer um teste prático,
para verificar o tempo exato quando não se tem ideia do teor de
contaminantes. Normalmente para um tratamento de água de processo o
tempo de saturação varia desde 6 meses à 2 anos, conforme a quantidade de
carvão ativo utilizada no filtro, com a vazão diária de água.
Cuidados necessários
A vazão de água é um fator de extrema importância. Muitas vezes
ocorre que sendo mal dimensionado o vaso para o volume de carvão ativo,
com limites superiores ao correto, faz com que a água passe entre o leito do
adsorvente e as paredes do filtro, portanto não entra em contato com o carvão
ativo, logo o teor de cloro e outras impurezas não serão totalmente eliminados.
Quando a água requer um tratamento para a eliminação de componentes
minerais feito através de resinas catiônicas e/ou aniônicas, o carvão entra
como um elemento importantíssimo na adsorção de cloro e matérias orgânicas,
pois estes elementos degradam rapidamente as resinas trocadoras de íons,
reduzindo a vida útil de 5 a 10 anos, para 3 anos ou menos (as resinas têm
preços elevados em relação ao investimento feito com o carvão ativo).
Recomenda-se que, se não uma vez por dia, seja feita pelo menos a
cada dois dias (dependendo da vazão utilizada), uma contra lavagem com a
água já filtrada no sentido contrário ao fluxo normal, para que seja removida
toda a matéria orgânica que obstruiu os poros de carvão ativo, e principalmente
para destruir os canais preferenciais formados durante o dia de trabalho.
Lembramos ainda que quanto mais próximo do pH neutro (7,0) estiver
a água tanto mais eficiente se tornará o carvão. Para o cálculo dimensional do
vaso, deve-se prever um espaço de no mínimo 50% do volume de carvão ativo
para a expansão do leito durante as retrolavagens.
É comum com o correr do uso o carvão ativo ser contaminado por
microorganismos que por ventura estejam presentes na água a tratar. Assim
sendo, a maneira ideal de 'regenerar' o carvão é através de injeção de vapor.
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Nestes casos o filtro é fornecido com uma válvula especial para tanto e o
revestimento deverá ser compatível com a alta temperatura do vapor.
O melhor lugar para instalar o filtro está no início do sistema de água.
Desta forma, você terá um filtro que controla toda a água de entrar e você não
vai precisar instalar vários filtros para cada torneira.
É importante que o filtro seja profundo o suficiente para ser mais eficaz.
As características físicas e químicas da água também podem influenciar o
desempenho. Se a água tem uma temperatura mais baixa e maior acidez,
então o filtro deverá funcionar ainda melhor.
Figura 4 - Filtro de Carvão Ativado
Fonte: www.desmi.com.br/filtro_de_carvao_ativado.htm
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Figura 5 - Uso de Carvão Ativado na ETA
Fonte: www.meiofiltrante.com.br/materias_ver.asp?act...
Seleção do Filtro
Para a sistema de purificação adequado, recomenda-se uma análise
da água antes da instalação do filtro, possibilitando conhecer as não
conformidades da mesma, pois a escolha do filtro não é feita somente pela
vazão volumétrica, mas também pela afinidade química do carvão ativado com
o gás ou o odor que se quer retirar, e a concentração destes em relação à
temperatura de operação e, por fim, os estágios de filtragem que antecedem o
filtro de carvão.
Fatores considerados na seleção do filtro
Vazão (em m³/h)
Deve ser o suficiente para permitir uma perda de carga pequena e uma
velocidade de passagem que facilite a afinidade química.
Afinidade química
A afinidade química ou reatividade está em função do nº de átomos de
carbono e do tamanho da cadeia carbônica do gás ou odor.
Concentração do gás ou odor (PPM, PPT, mg/l)
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Gases como metano e etileno têm pouca reatividade química em
função da ligação química entre os átomos de carbono de sua cadeia. Gases
como hidrocarboneto e voláteis (gasolina, querosene) e de cadeia carbônica
elevada têm mais afinidade com o carvão ativado. Produtos como hidrogênio e
monóxido de carbono, não tem afinidade.
Temperatura de operação do processo
A temperatura de operação também é outro fator determinante da
seleção. O carvão ativado opera em uma faixa de temperatura entre 20 e 35ºC.
Acima do valor de 35ºC, a reação química diminui, deixando passar mais gás
ou odor.
Filtros que antecedem o estágio de carvão ativado
São normalmente filtros grossos até absolutos, que devem remover as
partículas grossas, finas ou até mesmo submicrônicas para garantir a
passagem do gás ou odor pelo filtro de carvão ativado. Se essas partículas não
forem removidas, acumularão no filtro, dificultando a reação química ou mesmo
impedindo que ela ocorra, tornando o filtro inútil.
Umidade relativa no processo
O carvão ativado tem “preferência” em reagir com o vapor d’água do
aos gáses. Para valores de umidade relativa acima de 70% no processo de
filtragem deverão haver estágios de filtros “demister” ou coalescentes para
retirar o vapor d’água.
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Obedecendo-se os aspectos técnicos especificados em projeto e
conferidos em campo, o sistema de filtragem com carvão ativado se tornará
eficaz para o requerido sistema de filtragem.
CONCLUSÃO
Contudo, nota-se que o carvão ativado se destaca perante aos demais
processos de filtração devido as vantagens do emprego no tratamento de água
de abastecimento, sendo especialmente importante para os sistemas que
requerem um adsorvente para a maior parte do ano. Figuram como
desvantagem a difícil determinação do ponto de aplicação, tal que a distância
percorrida pela água permite a plena utilização de sua capacidade de
adsorção.
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BIBLIOGRAFIA
http://www.aquahobby.com/articles/b_filtros3.php
http://ciencia.hsw.uol.com.br/framed.htm?parent=questao209.htm&url=http://ww
w.ext.nodak.edu/extpubs/h2oqual/watsys/ae1029w.htm
http://www.ufv.br/dea/lqa/qualidade.htm
http://www.quimitank.com.br/produtos/53-filtro-de-areia-ou-filtro-de-carvao-
ativado.html
http://pt.mustknowhow.com/index.php/tag/pontas-com-filtro-de-carvao-
ativado?article=593
http://www.tratamentodeagua.com.br/R10/Biblioteca_Detalhe.aspx?codigo=838
http://www.aquafil.com.br/filtros.htm
Peregrini Carbon, Fabricação e comercialização do carvão ativado – Informações sobre o
produto. Disponível em: http://www.pelegrinicarbon.com.br/informacao.htm. Acesso em:
terça-feira 17 de maio de 2011, 16:15hs
Hidro Solo > Soluções > Tratamento de água > Filtros de carvão ativado
http://www.pluvitec.com.br/?pg=tratamentos_agua_filtro_carvao